C++11多線程教學（一）
本篇教學代碼可在GitHub獲得：https://github.com/sol-prog/threads。
在之前的教學中，我展示了一些最新進的C++11語言內容：
- 1. 正則表達式（http://solarianprogrammer.com/2011/10/12/cpp-11-regex-tutorial/）
- 2. raw string（http://solarianprogrammer.com/2011/10/16/cpp-11-raw-strings-literals-tutorial/）
- 3. lambda（http://solarianprogrammer.com/2011/11/01/cpp-11-lambda-tutorial/）
也許支持多線程是C++語言最大的變化之一。此前，C++只能利用操作系統的功能（Unix族系統使用pthreads庫），或是例如OpenMP和MPI這些代碼庫，來實現多核計算的目標。
本教程意圖讓你在使用C++11線程上起個頭，而不是只把語言標準在這里繁復地羅列出來。
創建和啟動一條C++線程就像在C++源碼中添加線程頭文件那么簡便。我們來看看如何創建一個簡單的帶線程的HelloWorld：
#include《iostream》
#include《thread》
//This function will be called from a thread
//該函數將在一條線程中得到調用
void call_from_thread() {
std::cout << "Hello, World" << std::endl;
}
int main() {
//Launch a thread
//啟動一條線程
std::thread t1(call_from_thread);
//Join the thread with the main thread
//和主線程協同
t1.join();
return 0;
}
在Linux系統中，上列代碼可采用g++編譯：
g++ -std=c++0x -pthread file_name.cpp
在安裝有Xcode4.x的麥金系統上，可用clang++編譯上述代碼：
clang++ -std=c++0x -stdlib=libc++ file_name.cpp
視窗系統上，可以利用付費代碼庫，just::thread，來編譯多線程代碼。但是很不走運，他們沒有提供代碼庫的試用版，我做不了測試。
在真實世界的應用程序中，函數“call_from_thread”相對主函數而言，獨立進行一些運算工作。在上述代碼中，主函數創建一條線程，并在t1.join()處等待t1線程運行結束。如果你在編碼中忘記考慮等待一條線程結束運行，主線程有可能搶先結束它自己的運行狀態，整個程序在退出的時候，將殺死先前創建的線程，不管函數“call_from_thread”有沒有執行完。
上面的代碼比使用POSIX線程的等價代碼，相對來說簡潔一些。請看使用POSIX線程的等價代碼：
//This function will be called from a thread
void *call_from_thread(void *) {
std::cout << "Launched by thread" << std::endl;
return NULL;
}
int main() {
pthread_t t;
//Launch a thread
pthread_create(&t, NULL, call_from_thread, NULL);
//Join the thread with the main thread
pthread_join(t, NULL);
return 0;
}
我們通常希望一次啟動多個線程，來并行工作。為此，我們可以創建線程組，而不是在先前的舉例中那樣創建一條線程。下面的例子中，主函數創建十條為一組的線程，并且等待這些線程完成他們的任務（在github代碼庫中也包含這個例子的POSIX版本）：
...
static const int num_threads = 10;
...
int main() {
std::thread t[num_threads];
//Launch a group of threads 啟動一組線程
for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
t[i] = std::thread(call_from_thread);
}
std::cout << "Launched from the mainn";
//Join the threads with the main thread
for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
t[i].join();
}
return 0;
}
記住，主函數也是一條線程，通常叫做主線程，所以上面的代碼實際上有11條線程在運行。在啟動這些線程組之后，線程組和主函數進行協同（join）之前，允許我們在主線程中做些其他的事情，在教程的結尾部分，我們將會用一個圖像處理的例子來說明之。
在線程中使用帶有形參的函數，是怎么一回事呢？C++11允許我們在線程的調用中，附帶上所需的任意參數。為了舉例說明，我們可以修改上面的代碼，以接受一個整型參數（在github代碼庫中也包含這個例子的POSIX版本）：
static const int num_threads = 10;
//This function will be called from a thread
void call_from_thread(int tid) {
std::cout << "Launched by thread " << tid << std::endl;
}
int main() {
std::thread t[num_threads];
//Launch a group of threads
for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
t[i] = std::thread(call_from_thread, i);
}
std::cout << "Launched from the mainn";
//Join the threads with the main thread
for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
t[i].join();
}
return 0;
}
在我的系統上，上面代碼的執行結果是：
Sol$ ./a.out
Launched by thread 0
Launched by thread 1
Launched by thread 2
Launched from the main
Launched by thread 3
Launched by thread 5
Launched by thread 6
Launched by thread 7
Launched by thread Launched by thread 4
8L
aunched by thread 9
Sol$
能看到上面的結果中，程序一旦創建一條線程，其運行存在先后秩序不確定的現象。程序員的任務就是要確保這組線程在訪問公共數據時不要出現阻塞。最后幾行，所顯示的錯亂輸出，表明8號線程啟動的時候，4號線程還沒有完成在stdout上的寫操作。事實上假定在你自己的機器上運行上面的代碼，將會獲得全然不同的結果，甚至是會輸出些混亂的字符。原因在于，程序內的11條線程都在競爭性地使用stdout這個公共資源（案：Race Conditions）。
要避免上面的問題，可以在代碼中使用攔截器（barriers），如std:mutex，以同步（synchronize）的方式來使得一群線程訪問公共資源，或者，如果可行的話，為線程們預留下私用的數據結構，避免使用公共資源。我們在以后的教學中，還會講到線程同步問題，包括使用原子操作類型（atomic types）和互斥體（mutex）。
從原理上講，編寫更加復雜的并行代碼所需的概念，我們已經在上面的代碼中都談到了。
接下來的例子，我要來展示并行編程方案的強大之處。這是個稍為復雜的問題：利用柔化濾波器（blur filter）去除一張圖片的雜點。思路是利用一點像素和它相鄰像素的加權均值的某種算法形式（案：后置濾波），去除圖片雜點。
本教程不在于討論優化圖像處理，筆者也非此路專家，所以我們只采取相當簡單的方法。我們的目標是勾勒出如何去編寫并行代碼，至于如何高效訪問圖片，與濾波器的卷積計算，都不是重點。我在此作為舉例，只利用空間卷積的定義，而不是采用更多的共振峰(?)，當然稍微有些實現上的難度，頻域的卷積使用快速傅里葉變換。
為簡便起見，我們將使用一種簡單的非壓縮圖像文件PPM。接下來，我們提供一個簡化的C++類的頭文件，這個類負責讀寫PPM圖片，并在內存中的三個無符號字符型數組結構里（RGB三色）重建圖像：
class ppm {
bool flag_alloc;
void init();
//info about the PPM file (height and width)
//PPM文件的信息（高和寬）
unsigned int nr_lines;
unsigned int nr_columns;
public:
//arrays for storing the R,G,B values
//保存RGB值的數組
unsigned char *r;
unsigned char *g;
unsigned char *b;
//
unsigned int height;
unsigned int width;
unsigned int max_col_val;
//total number of elements (pixels)
//元素（像素）的總量
unsigned int size;
ppm();
//create a PPM object and fill it with data stored in fname
//創建一個PPM對象，裝載保存在文件fname中的數據
ppm(const std::string &fname);
//create an "empty" PPM image with a given width and height;the R,G,B arrays are filled //with zeros
//創建一個“空”PPM圖像，大小由_width和_height指定；RGB數組置為零值
ppm(const unsigned int _width, const unsigned int _height);
//free the memory used by the R,G,B vectors when the object is destroyed
//在本對象銷毀時，釋放RGB向量占用的內存
~ppm();
//read the PPM image from fname
//從fname文件中讀取PPM圖像
void read(const std::string &fname);
//write the PPM image in fname
//保存PPM圖像到fname文件
void write(const std::string &fname);
};
一種可行的編碼方案是：
- 載入圖像到內存。
- 把圖像拆分為幾個部分，每部分由相應線程負責，線程數量為系統可承受之最大值，例如四核心計算機可啟用8條線程。
- 啟動若干線程——每條線程負責處理它自己的圖像塊。
- 主線程處理最后的圖像塊。
- 與主線程協調并等待全部線程計算完成。
- 保存處理后的圖像。
接下來我們列出主函數，該函數實現了如上算法（感謝wiched提出的代碼修改意見）：
int main() {
std::string fname = std::string("your_file_name.ppm");
ppm image(fname);
ppm image2(image.width, image.height);
//Number of threads to use (the image will be divided between threads)
//采用的線程數量（圖像將被分割給每一條線程去處理）
int parts = 8;
std::vectorbnd = bounds(parts, image.size);
std::thread *tt = new std::thread[parts - 1];
time_t start, end;
time(&start);
//Lauch parts-1 threads
//啟動parts-1個線程
for (int i = 0; i < parts - 1; ++i) {
tt[i] = std::thread(tst, &image, &image2, bnd[i], bnd[i + 1]);
}
//Use the main thread to do part of the work !!!
//使用主線程來做一部分任務！
for (int i = parts - 1; i < parts; ++i) {
tst(&image, &image2, bnd[i], bnd[i + 1]);
}
//Join parts-1 threads 協同parts-1條線程
for (int i = 0; i < parts - 1; ++i)
tt[i].join();
time(&end);
std::cout << difftime(end, start) << " seconds" << std::endl;
//Save the result 保存結果
image2.write("test.ppm");
//Clear memory and exit 釋放占用的內存，然后退出
delete [] tt;
return 0;
}
請無視圖像文件名和線程啟動數的硬性編碼。在實際應用中，應該讓用戶可以交互式輸入這些參數。
現在為了看看并行代碼的工作情況，我們需要賦之以足夠任務負荷，否則那些創建和銷毀線程的開銷將會干擾測試結果，使得我們的并行測試失去意義。輸入的圖像應該足夠大，以能顯示出并行代碼性能方面的改進效果。為此，我采用了一張16000x10626像素大小的PPM 格式圖片，空間占用約512MB：
我用Gimp軟件往圖片里摻入了一些雜點。雜點效果如下圖：
前面代碼的運行結果：
正如所見，上面的圖片雜點程度被弱化了。
樣例代碼運行在雙核MacBook Pro上的結果：
在雙核機器上，并行比串行模式（單線程），速率有完美的２倍提升。
我還在一臺四核英特爾i7Linux機器上作了測試，結果如下：
顯然，蘋果的clang++在提升并行程序方面要更好些，不管怎么說，這是編譯器／機器特性的一個聯袂結果，也不排除MacBook Pro使用了8GB內存的因素，而Linux機器只有6GB。
如果有興趣學習新的C++11語法，我建議閱讀《Professional C++》，或《C ++ Primer Plus》。C++11多線程主題方面，建議閱讀《C++ Concurrency in Action》，這是一本好書。
from:http://article.yeeyan.org/view/234235/268247
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