CppExplore

作者：CppExplore 網址：http://www.shnenglu.com/CppExplore/
廢話不多說，詳細介紹使用線程的優點好處請參考baidu、google。
一、線程使用場景。使用線程的方式大致有兩種：
（1）流水線方式。根據業務特點，將一個流程的處理分割成多個線程，形成流水線的處理方式。產生的結果:延長單一流程的處理時間，提高系統整體的吞吐能力。
（2）線程池方式。針對處理時間比較長且沒有內蘊狀態的線程，使用線程池方式分流消息，加快對線程消息的處理，避免其成為系統瓶頸。
線程使用的關鍵是 線程消息隊列、線程鎖、智能指針 的 使用。其中以線程消息隊列最為重要。

二、線程消息隊列描述。所謂線程消息隊列，就是一個普通的循環隊列（其它數據結構也未嘗不可，具體內容請參考數據結構課本）加上“多生產者－單（多）消費者的PV操作”（詳細內容請參考操作系統課本）。流水線方式中的線程是單消費者，線程池方式中的線程是多消費者。
為了后文更好的描述問題，作如下說明：
（1）假定循環隊列CircleQueue中,存放的消息指針類型是MyMSG *,入隊操作EnQueue,出隊操作DeQueue，判斷隊滿IsQueueFull，判斷隊空IsQueueEmpty。
（2）生產者消費者：生產者線程生產消息(MyMSG *)，放在一個空緩沖區(CircleQueue)中，供消費者線程消費，生產者生產消息(EnQueue)，如果緩沖區滿(IsQueueFull)，則被阻塞，消費者消費消息(DeQueue)，如果緩沖區空(IsQueueEmpty)，則被阻塞。線程消息隊列就是生產者消費者問題中的緩沖區，而它的生產者是不限定的，任何線程都可以作為生產者向其中進行EnQueue操作，消費線程則可能是一個，也可能是多個。因此對循環隊列的任何操作都要加鎖，以保證線程安全。
PV操作和鎖機制的基礎都是信號量。下面列出posix標準中給出的有關信號量的操作:

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t * sem);
int sem_trywait(sem_t * sem);
int sem_post(sem_t * sem);
int sem_getvalue(sem_t * sem, int * sval);
int sem_destroy(sem_t * sem);

各個函數的詳細用法，請在linux/unix上查看man。
三、線程消息隊列實現。基于以上討論，下面給出線程消息隊列的實現(僅為了說明問題，非標準可運行代碼)。

class ThreadQueue
{
    CircleQueue * queue;
    int nFull;
    int nEmpty;
    sem_t lock;
    sem_t fullCond;
    sem_t emptyCond
};
void createThreadQueue()
{
    createCircleQueue(queue);
    nFull=0;
    nEmpty=0;
    sem_ini(&lock,0,1);
    sem_init(&fullCond,0,0);
    sem_init(&emptyCond,0,0);
}
void putq(MyMSG * msg)
{
    sem_wait(&lock);
    if(IsQueueFull(queue))
    {
        nFull++;
        sem_post(&lock);
        sem_wait(&fullCond);
        sem_wait(&lock);
        nFull--;
    }
    EnQueue(queue,msg);
    if(nEmpty>0)
    {
        sem_post(&emptyCond);
    }
    sem_post(&lock);
}
void getq(MyMSG * msg)
{
    sem_wait(&lock);
    if(IsQueueEmpty(queue))
    {
        nEmpty++;
        sem_post(&lock);
        sem_wait(&emptyCond);
        sem_wait(&lock);
        nEmpty--;
    }
    DeQueue(msg);
    if(nFull>0)
    {
        sem_post(&fullCond);
    }
    sem_post(&lock);
}
void destroyThreadQueue()
{
    destroyCircleQueue(queue);
    sem_destroy(&lock);
    sem_destroy(&fullCond);
    sem_destroy(&emptyCond);
}

四、線程消息隊列使用說明。將線程和線程消息隊列封裝在一起，形成帶有消息隊列的線程，其它線程向該線程的消息隊列插入消息，本線程取消息處理，之后再向其它線程的消息隊列插入消息，如此形成流水線運行方式。線程的創建可以使用posix的pthread_create函數，或者boost的boost::thread。具體使用請查看相關文檔。另ACE中的ACE_Task實現了帶有消息隊列的線程，可以直接使用。
五、線程鎖描述。線程鎖，應該都很熟悉，通常的實現以mutex面目示人。假設實現后的操作有：加鎖lock,解鎖unlock。
所謂線程鎖就是同一時間只能有一個線程擁有的鎖。當一個線程通過lock獲得線程鎖以后，在該線程持有該鎖的期間，其它進行獲取鎖操作的線程只能阻塞在lock操作處，但該線程可以繼續對鎖進行lock操作而不阻塞。
六、線程鎖實現

class mutex
{
    sem_t lock;
    sem_t used;
    int nInOwner;
    pthread_t owner;
};
mutex()
{
    sem_init(&lock,0,1);
    sem_init(&used,0,0);
    owner=NULL;
    nInOwner=0;
}
void lock()
{
    pthread_t curThread=pthread_self();
    sem_wait(&lock);
    if(pthread_equal(owner,NULL))
    {
        owner=curThread;
    }
    else if(pthread_equal(curThread,owner)==0)
    {
        sem_post(&lock);
        sem_wait(&used);
        sem_wait(&lock);
        owner=curThread;
    }
    
    nInOwner++;
    sem_post(&lock);
}
void unlock()
{
    sem_wait(&lock);
    if(--nInOwner==0)
    {
        owner=NULL;
        nInOwner=0;
        sem_post(&used);
    }
    sem_post(&lock);
}
~mutex()
{
    sem_destroy(&lock);
    sem_destroy(&used);
}

七、線程鎖使用說明。系統設計中應該盡量減少鎖的使用。但有的時候無法避免，這時就是mutex登場的時候了。mutex的實現，linux下有pthread_mutex_t，ACE里有ACE_Thread_Mutex，boost里有boost::mutex。為了高效的操作可以進一步實現出其它不同的鎖機制，比如常見的讀寫鎖,條件鎖，不再多說，有興趣可以自己去實現，詳細可以參考操作系統課本。另linux/ACE/boost中均有實現。
lock和unlock要成對使用，但是很多情況下，一個函數有很多出口，再加上異常的情況，需要針對一個lock寫很多unlock，這樣不僅容易遺漏unlock，而且代碼也變得很丑陋。ACE中提供了Guard封裝mutex，使用起來比較方便，使用的時候不需要關心鎖的釋放，具體請看ACE。
也可以自己實現這種類Guard的功能。代碼如下：

class Guard
{
    mutex  *m_mutex;
};
Guard(mutex  *lock):m_mutex(lock)
{
    m_mutex->lock();
}
~Guard()
{
    m_mutex->unlock();
}

使用的時候只需要在函數開始處寫std::auto_ptr<Guard> guard(new Guard(lock)) ;這屬于智能指針使用的一個小技巧。
八、使用智能指針的需求。在線程池方式中，為了去掉內蘊狀態，線程間不得不傳遞對象指針，這樣很難判斷指針的生命周期，難以找到釋放內存空間的合適位置。智能指針完美解決了這個問題。boost中有boost::shared_ptr,ACE中有ACE_Refcounted_Auto_Ptr。本遍主要講述線程相關，智能指針不再展開。
九、線程間消息傳遞框架。
（1）面向過程的消息傳遞。c語言常用方式。消息以結構體的形式定義。

enum MsgType 
{
    CONCRETE_MSG1=1,
    CONCRETE_MSG2=2
};
struct MyMsg
{
    MsgType type;
    union union_st
    {
        concreteMsg1 *msg1;
        concreteMsg2 *msg2;
    }msg;
};