C ++マルチスレッド

マルチスレッドはマルチタスクの特殊な形式であり、マルチタスクはコンピューターが2つ以上のプログラムを同時に実行できるようにする機能です。一般に、マルチタスクには、プロセスベースとスレッドベースの2種類があります。

プロセスベースのマルチタスクは、プログラムの同時実行を処理します。スレッドベースのマルチタスクは、同じプログラムの一部を同時に実行します。

マルチスレッドプログラムには、同時に実行できる2つ以上の部分が含まれています。このようなプログラムの各部分はスレッドと呼ばれ、各スレッドは個別の実行パスを定義します。

C ++には、マルチスレッドアプリケーションの組み込みサポートは含まれていません。代わりに、この機能を提供するためにオペレーティングシステムに完全に依存しています。

このチュートリアルは、Linux OSで作業していて、POSIXを使用してマルチスレッドC ++プログラムを作成することを前提としています。POSIXスレッド（Pthreads）は、FreeBSD、NetBSD、GNU / Linux、Mac OS X、Solarisなどの多くのUnixライクなPOSIXシステムで利用できるAPIを提供します。

スレッドの作成

次のルーチンは、POSIXスレッドを作成するために使用されます-

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)

ここに、 pthread_create新しいスレッドを作成し、実行可能にします。このルーチンは、コード内のどこからでも何度でも呼び出すことができます。パラメータの説明は次のとおりです-

シニア番号	パラメータと説明
1	thread サブルーチンによって返される新しいスレッドの不透明で一意の識別子。
2	attr スレッド属性の設定に使用できる不透明な属性オブジェクト。スレッド属性オブジェクトを指定するか、デフォルト値にNULLを指定できます。
3	start_routine スレッドが作成されると実行されるC ++ルーチン。
4	arg start_routineに渡される可能性のある単一の引数。void型のポインタキャストとして参照で渡す必要があります。引数を渡さない場合は、NULLを使用できます。

プロセスによって作成される可能性のあるスレッドの最大数は、実装によって異なります。作成されるスレッドはピアであり、他のスレッドを作成する場合があります。スレッド間に暗黙の階層や依存関係はありません。

スレッドの終了

POSIXスレッドを終了するために使用する次のルーチンがあります-

#include <pthread.h>
pthread_exit (status)

ここに pthread_exitスレッドを明示的に終了するために使用されます。通常、pthread_exit（）ルーチンは、スレッドがその作業を完了し、存在する必要がなくなった後に呼び出されます。

main（）が作成したスレッドの前に終了し、pthread_exit（）で終了した場合、他のスレッドは引き続き実行されます。それ以外の場合は、main（）が終了すると自動的に終了します。

Example

この単純なサンプルコードは、pthread_create（）ルーチンを使用して5つのスレッドを作成します。各スレッドは「HelloWorld！」を印刷します。メッセージが表示され、pthread_exit（）の呼び出しで終了します。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid) {
   long tid;
   tid = (long)threadid;
   cout << "Hello World! Thread ID, " << tid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

int main () {
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int rc;
   int i;
   
   for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ ) {
      cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)i);
      
      if (rc) {
         cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}

次のように-lpthreadライブラリを使用して次のプログラムをコンパイルします-

$gcc test.cpp -lpthread

ここで、次の出力を与えるプログラムを実行します-

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Hello World! Thread ID, 0
Hello World! Thread ID, 1
Hello World! Thread ID, 2
Hello World! Thread ID, 3
Hello World! Thread ID, 4

スレッドへの引数の受け渡し

この例は、構造体を介して複数の引数を渡す方法を示しています。次の例で説明するように、voidを指すため、スレッドコールバックで任意のデータ型を渡すことができます。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

struct thread_data {
   int  thread_id;
   char *message;
};

void *PrintHello(void *threadarg) {
   struct thread_data *my_data;
   my_data = (struct thread_data *) threadarg;

   cout << "Thread ID : " << my_data->thread_id ;
   cout << " Message : " << my_data->message << endl;

   pthread_exit(NULL);
}

int main () {
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   struct thread_data td[NUM_THREADS];
   int rc;
   int i;

   for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ ) {
      cout <<"main() : creating thread, " << i << endl;
      td[i].thread_id = i;
      td[i].message = "This is message";
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)&td[i]);
      
      if (rc) {
         cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}

上記のコードをコンパイルして実行すると、次の結果が得られます。

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Thread ID : 3 Message : This is message
Thread ID : 2 Message : This is message
Thread ID : 0 Message : This is message
Thread ID : 1 Message : This is message
Thread ID : 4 Message : This is message

スレッドの結合と切り離し

スレッドを結合または切り離すために使用できる次の2つのルーチンがあります-

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid)

pthread_join（）サブルーチンは、指定された「threadid」スレッドが終了するまで、呼び出し元のスレッドをブロックします。スレッドが作成されると、その属性の1つが、スレッドが結合可能か分離可能かを定義します。参加可能として作成されたスレッドのみが参加できます。スレッドが切り離された状態で作成された場合、そのスレッドを結合することはできません。

この例は、Pthread結合ルーチンを使用してスレッドの完了を待機する方法を示しています。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *wait(void *t) {
   int i;
   long tid;

   tid = (long)t;

   sleep(1);
   cout << "Sleeping in thread " << endl;
   cout << "Thread with id : " << tid << "  ...exiting " << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

int main () {
   int rc;
   int i;
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   pthread_attr_t attr;
   void *status;

   // Initialize and set thread joinable
   pthread_attr_init(&attr);
   pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);

   for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ ) {
      cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], &attr, wait, (void *)i );
      if (rc) {
         cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }

   // free attribute and wait for the other threads
   pthread_attr_destroy(&attr);
   for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ ) {
      rc = pthread_join(threads[i], &status);
      if (rc) {
         cout << "Error:unable to join," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
      cout << "Main: completed thread id :" << i ;
      cout << "  exiting with status :" << status << endl;
   }

   cout << "Main: program exiting." << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

上記のコードをコンパイルして実行すると、次の結果が得られます。

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Sleeping in thread
Thread with id : 0 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 1 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 2 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 3 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 4 .... exiting
Main: completed thread id :0  exiting with status :0
Main: completed thread id :1  exiting with status :0
Main: completed thread id :2  exiting with status :0
Main: completed thread id :3  exiting with status :0
Main: completed thread id :4  exiting with status :0
Main: program exiting.