Đa luồng (Multithread) trong C++

Đa luồng (Multithreading) là một form chuyên dụng của đa nhiệm (multitasking) và một đa nhiệm là tính năng cho phép máy tính của bạn chạy hai hoặc nhiều chương trình đồng thời. Nói chung, có hai kiểu đa nhiệm là: process-based và thread-based tương ứng: dựa trên tiến trình và dựa trên luồng.

Đa nhiệm dựa trên tiến trình xử lý việc thực thi đồng thời của các chương trình. Đa nhiệm dựa trên luồng xử lý việc thực thi đồng thời các phần của cùng một chương trình.

Một chương trình đa luồng chứa hai hoặc nhiều phần mà có thể chạy đồng thời. Mỗi phần của chương trình đó được gọi là một thread, và mỗi thread định nghĩa một path riêng biệt của sự thực thi.

C++ không chứa bất kỳ hỗ trợ có sẵn nào cho các ứng dụng đa luồng. Thay vào đó, nó dựa hoàn toàn vào Hệ điều hành để cung cấp tính năng này.

Chương này giả sử bạn đang làm việc trên Hệ điều hành Linux và chúng tôi đang chuẩn bị viết chương trình đa luồng trong C++ bởi sử dụng POSIX. POSIX Threads hoặc Pthreads cung cấp API mà có sẵn trên nhiều hệ thống như FreeBSD, NetBSD, GNU/Linux, Mac OS X và Solaris.

Tạo Thread trong C++

Đây là chương trình chúng ta sử dụng để tạo một POSIX thread:

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

Ở đây, pthread_create tạo một thread mới và làm nó có thể thực thi. Chương trình này có thể được gọi bất cứ thời điểm nào ở bất cứ đâu trong code của bạn. Dưới đây là miêu tả các tham số:

Số thread tối đa có thể được tạo bởi một tiến trình là phụ thuộc vào trình triển khai (Implementation). Một khi được tạo, các thread là ngang hàng, và có thể tạo các thread khác. Không có sự phụ thuộc giữa các thread trong C++.

Kết thúc Thread trong C++

Chương trình sau được sử dụng để kết thúc một POSIX thread trong C++:

#include <pthread.h>
pthread_exit (status) 

Ở đây pthread_exit được sử dụng để kết thúc một thread. Chương trình pthread_exit() được gọi sau khi một thread đã hoàn thành công việc của nó và không cần thiết phải tồn tại nữa.

Nếu main() kết thúc trước các thread nó đã tạo, và kết thúc chương trình pthread_create(), thì các thread khác sẽ tiếp tục thực thi. Nếu không thì, chúng sẽ tự động được kết thúc khi main() hoàn thành.

Ví dụ

Ví dụ đơn giản sau tạo 5 thread với chương trình pthread_create(). Mỗi thread in một thông báo "Hello World!", và sau đó kết thúc với một lời gọi tới pthread_exit() trong C++:

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>using namespace std;#define SO_THREAD     4void *InLoiChao(void *threadid)
{
   
   cout << "Hello World! Thread ID la " << threadid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}int main ()
{
   pthread_t threads[SO_THREAD];
   int rc;
   int i;
   for( i=0; i < SO_THREAD; i++ ){
      cout << "
main() : dang tao thread! " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, 
                          InLoiChao, (int *)i);
      if (rc){
         cout << "
Error: Khong the tao thread!" << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}

Nếu bạn đang sử dụng command promt để biên dịch chương trình, thì bạn sử dụng thư viện –lpthread như sau:

$gcc test.cpp -lpthread

Nếu không, biên dịch và chạy chương trình C++ trên sẽ cho kết quả sau:

Truyền tham số tới Thread trong C++

Ví dụ này minh họa cách truyền nhiều tham số thông qua một cấu trúc. Bạn có thể truyền bất kỳ kiểu dữ liệu nào trong một Thread callback, bởi vì nó trỏ tới void như được giải thích trong ví dụ sau:

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>using namespace std;#define SO_THREAD     5struct du_lieu{
   int  id;
   char *thongdiep;
};void *InLoiChao(void *thamso)
{
   struct du_lieu *data;   data = (struct du_lieu *) thamso;   cout << "
Thread ID la: " << data->id ;
   cout << "
Thong diep: " << data->thongdiep << endl;   pthread_exit(NULL);
}int main ()
{
   pthread_t threads[SO_THREAD];
   struct du_lieu td[SO_THREAD];
   int rc;
   int i;   for( i=0; i < SO_THREAD; i++ ){
      cout <<"
main() : dang tao thread! " << i << endl;
      td[i].id = i;
      td[i].thongdiep = "
Day la thong diep";
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL,
                          InLoiChao, (void *)&td[i]);
      if (rc){
         cout << "
Error: Khong the tao thread! " << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}

Biên dịch và chạy chương trình C++ trên sẽ cho kết quả sau:

Kết hợp và Tháo gỡ các Thread trong C++

Hai cú pháp sau được sử dụng để kết hợp (joining) hoặc tháo gỡ (detaching) các Thread trong C++:

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid) 

Chương trình con pthread_join() đóng khối thread đang gọi tới khi threadid kết thúc. Khi một thread được tạo, một trong các thuộc tính định nghĩa nó là joinable hoặc detached. Chỉ các thread được tạo với dạng joinable có thể được kết hợp. Nếu một thread được tạo với dạng detached, nó không bao giờ được kết hợp.

Ví dụ sau minh họa cách đợi cho các thread kết thúc bởi sử dụng chương trình kết hợp Pthread trong C++:

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>using namespace std;#define SO_THREAD     5void *wait(void *tid)
{
   int i;
     sleep(1);
   cout << "
Dang tam dung mot Thread " << endl;
   cout << "
Thread voi ID la : " << tid << "  ... dang thoat! " << endl;
   pthread_exit(NULL);
}int main ()
{
   int rc;
   int i;
   pthread_t threads[SO_THREAD];
   pthread_attr_t attr;
   void *status;   // khoi tao va thiet lap mot thread co the ket hop
   pthread_attr_init(&attr);
   pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);   for( i=0; i < SO_THREAD; i++ ){
      cout << "
main() : dang tao thread! " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, wait, (void *)i );
      if (rc){
         cout << "
Error: Khong the tao thread! " << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }   // giai phong thuoc tinh va doi thread khac
   pthread_attr_destroy(&attr);
   for( i=0; i < SO_THREAD; i++ ){
      rc = pthread_join(threads[i], &status);
      if (rc){
         cout << "
Error: khong the ket hop! " << rc << endl;
         exit(-1);
      }
      cout << "
Main: ket huc thread id :" << i ;
      cout << "  va thoat voi trang thai:" << status << endl;
   }   cout << "
Main: thoat chuong trinh!" << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

Biên dịch và chạy chương trình C++ trên sẽ cho kết quả sau: