C++ 的多執行序程式開發 Thread：基本使用

在很久以前，Heresy 有寫過一系列《簡易的程式平行化方法－OpenMP》的文章，算是一種很簡單的平行化程式的開發方法，對於要把迴圈平行化，算是一種最簡單的方法了～而後來 Heresy 也有介紹過 nVIDIA CUDA 或者 OpenCL 這類、以大量平行化為目標的 GPGPU 程式開發架構。

Data parallelism 和 Task parallelism

實際上，在程式開發時，所謂的「平行化」（parallelism），大致上可以分為「Data parallelism」（資料平行化、維基百科）和「Task parallelism」（工作平行化、維基百科）兩大概念。

其中，「data parallelism」的使用最簡單的例子，就是把迴圈平行化、分成好幾個 thread（執行序）來同時進行計算；而在這樣執行時，每個 thread 的所做的事情其實都是相同的，只有計算的資料不同而已～像是 OpenMP 裡面的「parallel for」（參考）、OpenCL 的「Data-Parallel Execution Model」、或是 nVIDIA CUDA 這類的平行化方法，基本上都是屬於「data parallelism」的類型。

但是有的時候，可能會是想要讓幾個很複雜、而且不相同的計算同時進行，這時候就沒辦法使用「data parallelism」的概念、而是要使用「task parallelism」的方法了～他的基本概念，就是在程式裡面產生額外的 thread、來進行不同的、獨立的計算；像是 OpenMP 的「section」（參考），就是屬於「task parallelism」的方法。

C++11 Thread

雖然 OpenMP 已經有提供了 task parallelism 的功能，不過實際上它所提供的功能相當簡單、也不無法做進一步的控制，所以基本上應該也只能適用於較簡單的例子。而這邊 Heresy 要來介紹的，則是一個功能比較完整的 thread 控制的函示庫，那就是 C++11 的 STL 新加入的「Thread」（以下稱為「STL Thread」，官方文件、MSDN）！

不過，雖然 STL Thread 是 C++11 標準函式庫的一部分，但是要注意的是，由於 C++11 還算是一個很新的標準，並非所有編譯器都有支援；像是 Visual C++ 2010 就還不支援、要等到下一代的 Visual Studio 2012 才有支援。所以如果是要在 MSVC10 這種還不支援 STL Thread 的開發環境下使用的話，可以考慮使用 Boost C++ Libraries 所提供的 Thread 函式庫（官方文件），他基本上是和 STL Thread 相同的（最大的差異只在於 namespace）（gcc 4.6 對 STL thread 的支援性似乎也還不是很好）。

 

基本使用

如果只是要產生一個新的執行序來執行額外的程式的話，STL Thread 的基本使用其實相當簡單，大致上如下：

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void test_func()
{
  // do something
  double dSum = 0;
  for( int i = 0; i < 10000; ++ i )
    for( int j = 0; j < 10000; ++ j )
      dSum += i*j;

  cout << "Thread: " << dSum << endl;
}

int main( int argc, char** argv )
{
  // execute thread
  thread mThread( test_func );

  // do somthing
  cout << "main thread" << endl;

  // wait the thread stop
  mThread.join();

  return 0;
}

首先，STL Thread 的 header file 是 <thread>，在使用前必須要先 include 這個檔案。

而要產生新的 thread，基本上就是取去建立一個新的 std::thread 的物件，在這邊就是 mThread；而在建立 std::thread 的物件的時候，可以直接把一個可以呼叫的物件（callable object、一般是現成的 function 或是 function object）當作參數傳進去，這樣在 mThread 這個物件被建立出來的時候，系統就會產稱一個新的執行序、去執行所指定的 function object 了～而在這邊，就是 test_func() 這個函式。

而當新的執行序開始執行後，雖然電腦會開始執行 test_func() 裡面的計算，但是同時，他也會繼續執行下面的指令，在這邊就是透過 cout 輸出「main thread」這個字串。

可以看到，在這邊的範例裡，Heresy 是刻意把 test_func() 裡的計算寫得很複雜、用來拖時間。

main thread
Thread: 2.4995e+015

最後面去呼叫 mThread 的 join() 這個函式，則是用來告訴編譯器，在這邊要等 mThread 的計算工作完成後、才能繼續做下去；如此一來，可以避免 mThread 明明還在進行計算，但是主程式卻已經結束的問題。而如果之後的程式有要用到其他執行序的計算結果的話，也是要記得加上 join()，才能確定所需要的計算已經結束了。

而如果要執行的 function object 是需要參數的話，也可以直接在建立 std::thread 物件的時候，直接把參數附加在建構子裡。下面就是一個例子：

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void test_func2( int i )
{
  cout << i << endl;
}

int main( int argc, char** argv )
{
  thread mThread( test_func2, 10 );
  mThread.join();

  return 0;
}

不過要注意的一點是，在把 callable object 傳遞給 STL Thread 開啟一個新的 thread 的時候，他會是採用複製的方法，把傳入的物件複製一份來用；所以如果在裡面有修改道本身的資料的話，就需要使用 std::ref() 來產生物件的參考、然後再傳進去。下面就是一個例子：

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

class funcObj
{
public:
  int iData;

  funcObj()
  {
    iData = 0;
  }

  void operator()()
  {
    ++iData;
  }
};

int main( int argc, char** argv )
{
  funcObj co;

  // copy
  thread mThread1( co );
  mThread1.join();
  cout << co.iData << endl;

  // reference
  thread mThread2( ref( co ) );
  mThread2.join();
  cout << co.iData << endl;

  return 0;
}

這邊的 funcObj 就是一個有 call operator（operator()()）的類別，他被呼叫的時候，會把內部的計數器（iData）的值加 1。而在主程式裡面，第一次使用 STL Thread 執行的時候，是直接把 funcObj 的物件（co）傳進去；這時候他會在內部複製一份來執行，所以當 mThread1 執行結束後，co 裡的 iData 的值並不會改變。

而當第二次執行的時候，由於傳進到 STL thread 建構子的物件是 ref( co )，所以實際上 mThread2 所執行的會是 co 這個 funcObj 物件的參考；也因此，co.iData 就會在 mThread2 裡被修改到，等到結束後，他的值就會變成 1 了～

 

其他功能

上面基本上就是 STL Thread 最基本的使用了～透過 std::thread 這個物件，基本上是可以相當簡單地開啟一個新的執行序來處理額外的計算，然後在目前的執行序、同時繼續做其他的計算的；而實務上，有需要的話，也是可以開許多個執行序來用的～

接下來這邊，則是一些也算是基礎的其他功能。

• thread::hardware_concurrency()

  hardware_concurrency() 是 std::thread 的 static member function，可以用來取得在硬體層面上可以同時執行的執行序的數量，基本上可以視為處理器的核心數目；不過實際上這只是估計值，如果無法判斷時，值會是 0。（參考）

• this_thread

  this_thread 是 STL thread 裡的一個特別的 namespace，底下提供 get_id()、yield()、sleep_until()、sleep_for() 四個函式可以呼叫，都是針對目前的執行序進行操作的。

  其中，get_id() 可以用來取得目前的執行序的 id（型別是 thread::id）；另一方面，也可以透過 std::thread 的物件的 get_id() 這個 member function 來取得（例如：mThread.get_id()）。這個功能主要是可以用來識別不同的執行序，有的時候是用的到的。

  而 sleep_for() 和 sleep_until() 則是用來讓目前的執行序暫時停下來的，前者是停止一段指定的時間、後者則是設定一個絕對時間、讓執行序在指定的時間再繼續執行；而時間的參數，則是要使用 std::chrono（MSDN）的 duration（範例）和 time_point（範例）這兩種型別的時間資料。

  yield() 是暫時放棄一段 CPU 時間、讓給其他執行序使用的；這個應該算是比較進階的使用了，在這邊暫時跳過，之後有機會再整理。

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這篇算是 STL Thread 最簡單的使用了。接下來，應該會再花點時間、整理一下中斷一個執行序、以及多執行序間同步的處理問題。不過，就要再等一段時間了。

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• 基本使用
• 多執行序之間的溝通（一）
• 多執行序之間的溝通（二）

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