0 前言

就在幾年前，用多線程執(zhí)行程序還是一件非比尋常的事。然而今天互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)程序普遍使用多線程來(lái)提高與多客戶鏈接時(shí)的效率；為了達(dá)到最大的吞吐量，事務(wù)服務(wù)器在單獨(dú)的線程上運(yùn)行服務(wù)程序；GUI應(yīng)用程序?qū)⒛切┵M(fèi)時(shí)，復(fù)雜的處理以線程的形式單獨(dú)運(yùn)行，以此來(lái)保證用戶界面能夠及時(shí)響應(yīng)用戶的操作。這樣使用多線程的例子還有很多。

但是C++標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有涉及到多線程，這讓程序員們開始懷疑是否可能寫出多線程的C++程序。盡管不可能寫出符合標(biāo)準(zhǔn)的多線程程序，但是程序員們還是會(huì)使用支持多線程的操作系統(tǒng)提供的多線程庫(kù)來(lái)寫出多線程C++程序。但是這樣做至少有兩個(gè)問(wèn)題：這些庫(kù)大部分都是用C語(yǔ)言完成的，如果在C++程序中要使用這些庫(kù)就必須十分小心；還有，每一個(gè)操作系統(tǒng)都有自己的一套支持多線程的類庫(kù)。因此，這樣寫出來(lái)得代碼是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可循的，也不是到處都適用的（non-portable)。Boost線程庫(kù)就是為了解決所有這些問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

Boost是由C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)類庫(kù)工作組成員發(fā)起，致力于為C++開發(fā)新的類庫(kù)的組織?，F(xiàn)在它已經(jīng)有近2000名成員。許多庫(kù)都可以在Boost源碼的發(fā)布版本中找到。為了使這些類庫(kù)是線程安全的（thread-safe)，Boost線程庫(kù)被創(chuàng)建了。

許多C++專家都投身于Boost線程庫(kù)的開發(fā)中。所有接口的設(shè)計(jì)都是從0開始的，并不是C線程API的簡(jiǎn)單封裝。許多C++特性（比如構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，函數(shù)對(duì)象（function object)和模板）都被使用在其中以使接口更加靈活?，F(xiàn)在的版本可以在POSIX,Win32和Macintosh Carbon平臺(tái)下工作。

1 創(chuàng)建線程

起先，大家認(rèn)為傳統(tǒng)C創(chuàng)建線程的方法似乎比這樣的設(shè)計(jì)更有用，因?yàn)镃創(chuàng)建線程的時(shí)候會(huì)傳入一個(gè)void*指針，通過(guò)這種方法就可以傳入數(shù)據(jù)。然而，由于Boost線程庫(kù)是使用函數(shù)對(duì)象來(lái)代替函數(shù)指針，那么函數(shù)對(duì)象本身就可以攜帶線程所需的數(shù)據(jù)。這種方法更具靈活性，也是類型安全（type-safe)的。當(dāng)和Boost.Bind這樣的功能庫(kù)一起使用時(shí)，這樣的方法就可以讓你傳遞任意數(shù)量的數(shù)據(jù)給新建的線程。

目前，由Boost線程庫(kù)創(chuàng)建的線程對(duì)象功能還不是很強(qiáng)大。事實(shí)上它只能做兩項(xiàng)操作。線程對(duì)象可以方便使用==和!=進(jìn)行比較來(lái)確定它們是否是代表同一個(gè)線程；你還可以調(diào)用boost::thread::join來(lái)等待線程執(zhí)行完畢。其他一些線程庫(kù)可以讓你對(duì)線程做一些其他操作（比如設(shè)置優(yōu)先級(jí)，甚至是取消線程）。然而，由于要在普遍適用（portable）的接口中加入這些操作不是簡(jiǎn)單的事，目前仍在討論如何將這些操組加入到Boost線程庫(kù)中。

Listing1展示了boost::thread類的一個(gè)最簡(jiǎn)單的用法。 新建的線程只是簡(jiǎn)單的在std::out上打印“hello,world”，main函數(shù)在它執(zhí)行完畢之后結(jié)束。

例1：

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <iostream>
void hello()
{
std::cout <<
"Hello world, I'm a thread!"
<< std::endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
boost::thread thrd(&hello);
thrd.join();
return 0;
}

2 互斥體

互斥體的概念有不少變種。Boost線程庫(kù)支持兩大類互斥體，包括簡(jiǎn)單互斥體（simple mutex)和遞歸互斥體（recursive mutex)。如果同一個(gè)線程對(duì)互斥體上了兩次鎖，就會(huì)發(fā)生死鎖（deadlock），也就是說(shuō)所有的等待解鎖的線程將一直等下去。有了遞歸互斥體，單個(gè)線程就可以對(duì)互斥體多次上鎖，當(dāng)然也必須解鎖同樣次數(shù)來(lái)保證其他線程可以對(duì)這個(gè)互斥體上鎖。

在這兩大類互斥體中，對(duì)于線程如何上鎖還有多個(gè)變種。一個(gè)線程可以有三種方法來(lái)對(duì)一個(gè)互斥體加鎖：

1. 一直等到?jīng)]有其他線程對(duì)互斥體加鎖。
2. 如果有其他互斥體已經(jīng)對(duì)互斥體加鎖就立即返回。
3. 一直等到?jīng)]有其他線程互斥體加鎖，直到超時(shí)。

似乎最佳的互斥體類型是遞歸互斥體，它可以使用所有三種上鎖形式。然而每一個(gè)變種都是有代價(jià)的。所以Boost線程庫(kù)允許你根據(jù)不同的需要使用最有效率的互斥體類型。Boost線程庫(kù)提供了6中互斥體類型，下面是按照效率進(jìn)行排序：

boost::mutex,
boost::try_mutex,
boost::timed_mutex,
boost::recursive_mutex,
boost::recursive_try_mutex,
boost::recursive_timed_mutex 

這種方法保證正確的使用互斥體。然而，有一點(diǎn)必須注意：盡管Scope Lock模式可以保證互斥體被解鎖，但是它并沒(méi)有保證在異常拋出之后貢獻(xiàn)資源仍是可用的。所以就像執(zhí)行單線程程序一樣，必須保證異常不會(huì)導(dǎo)致程序狀態(tài)異常。另外，這個(gè)已經(jīng)上鎖的對(duì)象不能傳遞給另一個(gè)線程，因?yàn)樗鼈兙S護(hù)的狀態(tài)并沒(méi)有禁止這樣做。

List2給出了一個(gè)使用boost::mutex的最簡(jiǎn)單的例子。例子中共創(chuàng)建了兩個(gè)新的線程，每個(gè)線程都有10次循環(huán)，在std::cout上打印出線程id和當(dāng)前循環(huán)的次數(shù)，而main函數(shù)等待這兩個(gè)線程執(zhí)行完才結(jié)束。std::cout就是共享資源，所以每一個(gè)線程都使用一個(gè)全局互斥體來(lái)保證同時(shí)只有一個(gè)線程能向它寫入。

許多讀者可能已經(jīng)注意到List2中傳遞數(shù)據(jù)給線程還必須的手工寫一個(gè)函數(shù)。盡管這個(gè)例子很簡(jiǎn)單，如果每一次都要寫這樣的代碼實(shí)在是讓人厭煩的事。別急，有一種簡(jiǎn)單的解決辦法。函數(shù)庫(kù)允許你通過(guò)將另一個(gè)函數(shù)綁定，并傳入調(diào)用時(shí)需要的數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的函數(shù)。 List3向你展示了如何使用Boost.Bind庫(kù)來(lái)簡(jiǎn)化List2中的代碼，這樣就不必手工寫這些函數(shù)對(duì)象了。

例2：

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <iostream>
boost::mutex io_mutex;
struct count
{
count(int id) : id(id) { }
void operator()()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout << id << ": "
<< i << std::endl;
}
}
int id;
};
int main(int argc, char* argv[])
{
boost::thread thrd1(count(1));
boost::thread thrd2(count(2));
thrd1.join();
thrd2.join();
return 0;
}

例3： // 這個(gè)例子和例2一樣，除了使用Boost.Bind來(lái)簡(jiǎn)化創(chuàng)建線程攜帶數(shù)據(jù)，避免使用函數(shù)對(duì)象

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/bind.hpp>
#include <iostream>
boost::mutex io_mutex;
void count(int id)
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout << id << ": " <<
i << std::endl;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
boost::thread thrd1(
boost::bind(&count, 1));
boost::thread thrd2(
boost::bind(&count, 2));
thrd1.join();
thrd2.join();
return 0;
}

3 條件變量

條件變量的使用總是和互斥體及共享資源聯(lián)系在一起的。線程首先鎖住互斥體，然后檢驗(yàn)共享資源的狀態(tài)是否處于可使用的狀態(tài)。如果不是，那么線程就要等待條件變量。要指向這樣的操作就必須在等待的時(shí)候?qū)⒒コ怏w解鎖，以便其他線程可以訪問(wèn)共享資源并改變其狀態(tài)。它還得保證從等到得線程返回時(shí)互斥體是被上鎖得。當(dāng)另一個(gè)線程改變了共享資源的狀態(tài)時(shí)，它就要通知正在等待條件變量得線程，并將之返回等待的線程。

List4是一個(gè)使用了boost::condition的簡(jiǎn)單例子。有一個(gè)實(shí)現(xiàn)了有界緩存區(qū)的類和一個(gè)固定大小的先進(jìn)先出的容器。由于使用了互斥體boost::mutex，這個(gè)緩存區(qū)是線程安全的。put和get使用條件變量來(lái)保證線程等待完成操作所必須的狀態(tài)。有兩個(gè)線程被創(chuàng)建，一個(gè)在buffer中放入100個(gè)整數(shù)，另一個(gè)將它們從buffer中取出。這個(gè)有界的緩存一次只能存放10個(gè)整數(shù)，所以這兩個(gè)線程必須周期性的等待另一個(gè)線程。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，put和get在std::cout中輸出診斷語(yǔ)句。最后，當(dāng)兩個(gè)線程結(jié)束后，main函數(shù)也就執(zhí)行完畢了。

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/condition.hpp>
#include <iostream>
const int BUF_SIZE = 10;
const int ITERS = 100;
boost::mutex io_mutex;
class buffer
{
public:
typedef boost::mutex::scoped_lock
scoped_lock;
buffer()
: p(0), c(0), full(0)
{
}
void put(int m)
{
scoped_lock lock(mutex);
if (full == BUF_SIZE)
{
{
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout <<
"Buffer is full. Waiting..."
<< std::endl;
}
while (full == BUF_SIZE)
cond.wait(lock);
}
buf[p] = m;
p = (p+1) % BUF_SIZE;
++full;
cond.notify_one();
}
int get()
{
scoped_lock lk(mutex);
if (full == 0)
{
{
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout <<
"Buffer is empty. Waiting..."
<< std::endl;
}
while (full == 0)
cond.wait(lk);
}
int i = buf[c];
c = (c+1) % BUF_SIZE;
--full;
cond.notify_one();
return i;
}
private:
boost::mutex mutex;
boost::condition cond;
unsigned int p, c, full;
int buf[BUF_SIZE];
};
buffer buf;
void writer()
{
for (int n = 0; n < ITERS; ++n)
{
{
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout << "sending: "
<< n << std::endl;
}
buf.put(n);
}
}
void reader()
{
for (int x = 0; x < ITERS; ++x)
{
int n = buf.get();
{
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout << "received: "
<< n << std::endl;
}
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
boost::thread thrd1(&reader);
boost::thread thrd2(&writer);
thrd1.join();
thrd2.join();
return 0;
}

4 線程局部存儲(chǔ)

有兩種方法可以讓不可重用的函數(shù)變成可重用的函數(shù)。第一種方法就是改變接口，用指針或引用代替原先使用靜態(tài)數(shù)據(jù)的地方。比方說(shuō)，POSIX定義了strok_r，std::strtok中的一個(gè)可重入的變量，它用一個(gè)額外的char**參數(shù)來(lái)代替靜態(tài)數(shù)據(jù)。這種方法很簡(jiǎn)單，而且提供了可能的最佳效果。但是這樣必須改變公共接口，也就意味著必須改代碼。另一種方法不用改變公有接口，而是用本地存儲(chǔ)線程（thread local storage）來(lái)代替靜態(tài)數(shù)據(jù)（有時(shí)也被成為特殊線程存儲(chǔ)，thread-specific storage）。

Boost線程庫(kù)提供了智能指針boost::thread_specific_ptr來(lái)訪問(wèn)本地存儲(chǔ)線程。每一個(gè)線程第一次使用這個(gè)智能指針的實(shí)例時(shí)，它的初值是NULL，所以必須要先檢查這個(gè)它的只是否為空，并且為它賦值。Boost線程庫(kù)保證本地存儲(chǔ)線程中保存的數(shù)據(jù)會(huì)在線程結(jié)束后被清除。

List5是一個(gè)使用boost::thread_specific_ptr的簡(jiǎn)單例子。其中創(chuàng)建了兩個(gè)線程來(lái)初始化本地存儲(chǔ)線程，并有10次循環(huán)，每一次都會(huì)增加智能指針指向的值，并將其輸出到std::cout上（由于std::cout是一個(gè)共享資源，所以通過(guò)互斥體進(jìn)行同步）。main線程等待這兩個(gè)線程結(jié)束后就退出。從這個(gè)例子輸出可以明白的看出每個(gè)線程都處理屬于自己的數(shù)據(jù)實(shí)例，盡管它們都是使用同一個(gè)boost::thread_specific_ptr。

例5：

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/tss.hpp>
#include <iostream>
boost::mutex io_mutex;
boost::thread_specific_ptr<int> ptr;
struct count
{
count(int id) : id(id) { }
void operator()()
{
if (ptr.get() == 0)
ptr.reset(new int(0));
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
(*ptr)++;
boost::mutex::scoped_lock
lock(io_mutex);
std::cout << id << ": "
<< *ptr << std::endl;
}
}
int id;
};
int main(int argc, char* argv[])
{
boost::thread thrd1(count(1));
boost::thread thrd2(count(2));
thrd1.join();
thrd2.join();
return 0;
}

5 僅運(yùn)行一次的例程

解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是所謂的“一次實(shí)現(xiàn)”（once routine）。“一次實(shí)現(xiàn)”在一個(gè)應(yīng)用程序只能執(zhí)行一次。如果多個(gè)線程想同時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作，那么真正執(zhí)行的只有一個(gè)，而其他線程必須等這個(gè)操作結(jié)束。為了保證它只被執(zhí)行一次，這個(gè)routine由另一個(gè)函數(shù)間接的調(diào)用，而這個(gè)函數(shù)傳給它一個(gè)指針以及一個(gè)標(biāo)志著這個(gè)routine是否已經(jīng)被調(diào)用的特殊標(biāo)志。這個(gè)標(biāo)志是以靜態(tài)的方式初始化的，這也就保證了它在編譯期間就被初始化而不是運(yùn)行時(shí)。因此也就沒(méi)有多個(gè)線程同時(shí)將它初始化的問(wèn)題了。Boost線程庫(kù)提供了boost::call_once來(lái)支持“一次實(shí)現(xiàn)”，并且定義了一個(gè)標(biāo)志boost::once_flag及一個(gè)初始化這個(gè)標(biāo)志的宏BOOST_ONCE_INIT。

List6是一個(gè)使用了boost::call_once的例子。其中定義了一個(gè)靜態(tài)的全局整數(shù)，初始值為0；還有一個(gè)由BOOST_ONCE_INIT初始化的靜態(tài)boost::once_flag實(shí)例。main函數(shù)創(chuàng)建了兩個(gè)線程，它們都想通過(guò)傳入一個(gè)函數(shù)調(diào)用boost::call_once來(lái)初始化這個(gè)全局的整數(shù)，這個(gè)函數(shù)是將它加1。main函數(shù)等待著兩個(gè)線程結(jié)束，并將最后的結(jié)果輸出的到std::cout。由最后的結(jié)果可以看出這個(gè)操作確實(shí)只被執(zhí)行了一次，因?yàn)樗闹凳?。

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/once.hpp>
#include <iostream>
int i = 0;
boost::once_flag flag =
BOOST_ONCE_INIT;
void init()
{
++i;
}
void thread()
{
boost::call_once(&init, flag);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
boost::thread thrd1(&thread);
boost::thread thrd2(&thread);
thrd1.join();
thrd2.join();
std::cout << i << std::endl;
return 0;
}

6 Boost線程庫(kù)的未來(lái)

Boost線程庫(kù)已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)中的類庫(kù)技術(shù)報(bào)告中的附件提交給C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，它的出現(xiàn)也為下一版C++標(biāo)準(zhǔn)吹響了第一聲號(hào)角。委員會(huì)成員對(duì)Boost線程庫(kù)的初稿給予了很高的評(píng)價(jià),當(dāng)然他們還會(huì)考慮其他的多線程庫(kù)。他們對(duì)在C++標(biāo)準(zhǔn)中加入對(duì)多線程的支持非常感興趣。從這一點(diǎn)上也可以看出，多線程在C++中的前途一片光明。