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基于pthread库 的 线程封装

news 2025/10/30 13:05:57

目录

一、Thread.hpp

二、Main.cc

三、Makefile

四、代码详细讲解

1、整体结构

2、关键部分详解

2.1 Routine 函数 - 静态成员函数与 this 指针

2.2 构造函数

2.3 Start() 方法

2.4 其他重要方法

3、使用示例分析

2. 线程分离

3. 主线程休眠

4. 尝试停止线程

5. 再次休眠与尝试 Join

4、潜在问题和改进建议

5、总结

五、模板化 Thread 类的改动

1、模板化的核心改动

(1) 模板参数 T 的引入

(2) 回调函数和数据的存储

2、关键逻辑改动

(1) Routine 静态成员函数

(2) 构造函数

一、Thread.hpp

#ifndef _THREAD_H_
#define _THREAD_H_#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <functional>namespace ThreadModlue
{static uint32_t number = 1; // bug - 静态变量用于生成线程名称编号，但可能存在线程安全问题class Thread{using func_t = std::function<void()>; // 定义函数类型，用于线程执行的回调函数private:// 设置线程为分离状态void EnableDetach(){std::cout << "线程被分离了" << std::endl;_isdetach = true;}// 设置线程为运行状态void EnableRunning(){_isrunning = true;}// 静态线程例程函数，作为pthread_create的入口点// 注意：这是类成员函数，默认包含this指针，所以必须是静态的static void *Routine(void *args){Thread *self = static_cast<Thread *>(args); // 将void*参数转换回Thread指针self->EnableRunning(); // 标记线程开始运行if (self->_isdetach)self->Detach(); // 如果设置为分离，则执行分离操作pthread_setname_np(self->_tid, self->_name.c_str()); // 设置线程名称self->_func(); // 执行用户提供的回调函数return nullptr;}// bug - 这里有注释但没有具体说明是什么bugpublic:// 构造函数，接收线程执行函数Thread(func_t func): _tid(0),_isdetach(false),_isrunning(false),res(nullptr),_func(func){_name = "thread-" + std::to_string(number++); // 生成唯一线程名称}// 分离线程void Detach(){if (_isdetach)return; // 如果已经是分离状态，直接返回if (_isrunning)pthread_detach(_tid); // 如果线程在运行，执行分离操作EnableDetach(); // 标记为分离状态}// 启动线程bool Start(){if (_isrunning)return false; // 如果线程已经在运行，返回失败int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, this); // 创建线程if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;return false;}else{std::cout << _name << " create success" << std::endl;return true;}}// 停止线程（使用pthread_cancel）bool Stop(){if (_isrunning){int n = pthread_cancel(_tid); // 取消线程if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;return false;}else{_isrunning = false;std::cout << _name << " stop" << std::endl;return true;}}return false;}// 等待线程结束void Join(){if (_isdetach){std::cout << "你的线程已经是分离的了,不能进行join" << std::endl;return;}int n = pthread_join(_tid, &res); // 等待线程结束if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;}else{std::cout << "join success" << std::endl;}}// 析构函数~Thread(){}private:pthread_t _tid;        // 线程IDstd::string _name;     // 线程名称bool _isdetach;        // 是否为分离状态bool _isrunning;       // 是否在运行void *res;             // 线程返回值func_t _func;          // 线程执行函数};
}#endif

二、Main.cc

#include "Thread.hpp"
#include <unistd.h>
#include <vector>using namespace ThreadModlue;int main()
{std::vector<Thread> threads;for (int i = 0; i < 10; i++){threads.emplace_back([](){while(true){char name[128];pthread_getname_np(pthread_self(), name, sizeof(name));std::cout << "我是一个新线程: " << name << std::endl; // 我的线程的名字是什么呀？debugsleep(1);} });}for (auto &thread : threads){thread.Start();}for (auto &thread : threads){thread.Join();}// Thread t([](){//     while(true)//     {//         char name[128];//         pthread_getname_np(pthread_self(), name, sizeof(name));//         std::cout << "我是一个新线程: " << name << std::endl; // 我的线程的名字是什么呀？debug//         sleep(1);//     }// });// t.Start();// t.Detach();// sleep(5);// t.Stop();// sleep(5);// t.Join();return 0;
}

三、Makefile

thread:Main.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:rm -f thread

四、代码详细讲解

下面我将详细讲解这个线程封装类 Thread 的实现，重点放在 Routine 函数和 this 指针的处理上。

1、整体结构

这个代码实现了一个简单的线程封装类，使用 C++11 的 std::function 作为线程执行函数的包装，底层使用 POSIX 线程 (pthread) 实现。

2、关键部分详解

2.1 Routine 函数 - 静态成员函数与 this 指针

static void *Routine(void *args) // 属于类内的成员函数，默认包含this指针！
{Thread *self = static_cast<Thread *>(args);self->EnableRunning();if (self->_isdetach)self->Detach();pthread_setname_np(self->_tid, self->_name.c_str());self->_func(); // 回调处理return nullptr;
}

重点讲解：

为什么是静态成员函数？

  • POSIX 线程的入口函数必须是普通函数或静态成员函数，不能是非静态成员函数

  • 非静态成员函数隐含 this 指针参数，而 pthread_create 不知道如何传递这个额外的参数

如何访问类成员？

  • 通过 void* args 参数传递 this 指针

  • 在 Start() 方法中调用 pthread_create 时，最后一个参数传递 this：

    int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, this);

  • 在 Routine 内部将 args 转换回 Thread* 类型：

    Thread *self = static_cast<Thread *>(args);

执行流程：

  • 通过 self 指针访问对象成员和方法

  • 标记线程为运行状态 (EnableRunning())

  • 如果线程被设置为分离模式，调用 Detach()

  • 设置线程名称 (pthread_setname_np)

  • 执行用户提供的函数 (self->_func())

2.2 构造函数

Thread(func_t func): _tid(0),_isdetach(false),_isrunning(false),res(nullptr),_func(func)
{_name = "thread-" + std::to_string(number++);
}

  • 初始化线程 ID (_tid)、分离标志 (_isdetach)、运行标志 (_isrunning) 和结果指针 (res)

  • 将用户提供的函数 func 存储在 _func 成员中

  • 为线程生成唯一名称，使用静态变量 number 保证唯一性

2.3 Start() 方法

bool Start()
{if (_isrunning)return false;int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, this);if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;return false;}else{std::cout << _name << " create success" << std::endl;return true;}
}

  • 检查线程是否已经在运行

  • 调用 pthread_create 创建线程，传递 Routine 作为入口函数，this 作为参数

  • 处理创建成功/失败的情况

2.4 其他重要方法

Detach():

void Detach()
{if (_isdetach)return;if (_isrunning)pthread_detach(_tid);EnableDetach();
}

  • 分离线程，使其结束后自动释放资源

  • 只能对运行中的线程调用

Join():

void Join()
{if (_isdetach){std::cout << "你的线程已经是分离的了,不能进行join" << std::endl;return;}int n = pthread_join(_tid, &res);if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;}else{std::cout << "join success" << std::endl;}
}

  • 等待线程结束

  • 不能对已分离的线程调用

Stop():

bool Stop()
{if (_isrunning){int n = pthread_cancel(_tid);if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;return false;}else{_isrunning = false;std::cout << _name << " stop" << std::endl;return true;}}return false;
}

  • 取消线程执行

  • 使用 pthread_cancel，这是一种强制终止线程的方式

3、使用示例分析

在 main() 函数中：

std::vector<Thread> threads;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{threads.emplace_back([](){while(true){char name[128];pthread_getname_np(pthread_self(), name, sizeof(name));std::cout << "我是一个新线程: " << name << std::endl;sleep(1);} });
}
for (auto &thread : threads)
{thread.Start();
}for (auto &thread : threads)
{thread.Join();
}

  • 创建 10 个线程对象，每个线程执行一个 lambda 函数

  • 启动所有线程

  • 等待所有线程结束（实际上这些线程是无限循环，程序不会正常退出）

        而后面那段被注释掉的代码展示了另一种使用 Thread 类的方式，与前面 vector 批量创建线程的示例形成对比。下面详细分析这段代码的执行流程和潜在问题：

// Thread t([](){
//     while(true)
//     {
//         char name[128];
//         pthread_getname_np(pthread_self(), name, sizeof(name));
//         std::cout << "我是一个新线程: " << name << std::endl;
//         sleep(1);
//     }
// });
// t.Start();
// t.Detach();
// sleep(5);// t.Stop();// sleep(5);// t.Join();

1. 线程创建与启动

Thread t([](){while(true) {char name[128];pthread_getname_np(pthread_self(), name, sizeof(name));std::cout << "我是一个新线程: " << name << std::endl;sleep(1);}
});
t.Start();

行为：

  • 创建一个 Thread 对象 t，传入一个无限循环的 lambda 函数作为线程任务。

  • 调用 t.Start() 启动线程，此时：

    • pthread_create 被调用，线程入口函数是 Routine。

    • Routine 中会设置线程名称（通过 pthread_setname_np）。

    • 线程开始执行 lambda 函数，每秒打印一次自己的名称。

2. 线程分离
t.Detach();

行为：

  • 调用 Detach() 后，线程会被标记为分离状态（_isdetach = true）。

  • 如果线程正在运行（_isrunning == true），会调用 pthread_detach(_tid)。

  • 分离线程的效果：

    • 线程结束后自动释放资源，无需其他线程调用 Join()。

    • 但分离后不能再对线程调用 Join() 或 Stop()（代码中未严格限制，存在隐患）。

3. 主线程休眠
sleep(5);

  • 行为：主线程休眠 5 秒，此时子线程在后台独立运行（因为已分离）。

4. 尝试停止线程
t.Stop();

行为：Stop() 内部调用 pthread_cancel(_tid)，尝试强制终止线程。

问题：

  • 线程已分离：POSIX 标准中，对分离线程调用 pthread_cancel 是未定义行为（可能成功，也可能无效）。

  • 资源泄漏风险：强制取消线程可能导致线程持有的资源（如锁、内存）未正确释放。

  • 代码逻辑矛盾：既然调用了 Detach()，通常意味着不关心线程的结束状态，再调用 Stop() 逻辑上不合理。

5. 再次休眠与尝试 Join
sleep(5);
t.Join();

行为：再次休眠 5 秒后，尝试调用 t.Join()。

问题：

  • 线程已被分离，Join() 会直接返回并提示“线程已是分离状态”。

  • 即使线程未分离，Stop() 已经取消了线程，Join() 的行为也取决于线程取消时的状态（可能阻塞或报错）。

潜在问题总结：

分离后调用 Stop() 和 Join()：

  • 分离线程的设计初衷是让线程自主运行并自动释放资源，通常不需要其他线程干预其生命周期。

  • 代码中同时调用 Detach() 和 Stop()/Join() 逻辑冲突，可能导致未定义行为。

线程取消的不可靠性：

  • pthread_cancel 是强制终止线程的手段，不保证线程能清理资源。

  • 更好的方式是通过标志位让线程协作式退出（例如 lambda 中检查 volatile bool 标志）。

资源管理缺失：如果线程未分离也未 Join，Thread 对象的析构函数（当前为空）可能导致资源泄漏。

4、潜在问题和改进建议

number 静态变量的问题：

  • 注释中标记为 "bug"，因为它可能导致线程一起访问共享资源，造成同步与互斥的问题

  • 更好的方式是使用原子操作或线程安全的计数器

资源管理：

  • 析构函数为空，没有清理资源

  • 应该考虑在析构时自动 join 或 detach 线程

错误处理：可以增加更多错误检查和更详细的错误信息

线程取消：

  • Stop() 使用 pthread_cancel，这可能导致资源泄漏

  • 更好的方式是提供协作式的取消机制

移动语义：可以添加移动构造函数和移动赋值运算符，避免不必要的拷贝

5、总结

这个线程封装类展示了如何将 POSIX 线程封装成 C++ 对象，关键点在于：

  • 使用静态成员函数作为线程入口点

  • 通过 void* 参数传递 this 指针

  • 在静态函数中转换回对象指针并调用成员方法

  • 使用 std::function 灵活地包装各种可调用对象

        这种设计模式在 C++ 中很常见，特别是在需要与 C 接口交互时（如 POSIX 线程、信号处理等）。理解 this 指针的传递机制是掌握这种封装技术的关键。

五、模板化 Thread 类的改动

#ifndef _THREAD_H_
#define _THREAD_H_#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <functional>namespace ThreadModlue
{static uint32_t number = 1; // bugtemplate<typename T>class Thread{using func_t = std::function<void(T)>; // 暂时这样写，完全够了private:void EnableDetach(){std::cout << "线程被分离了" << std::endl;_isdetach = true;}void EnableRunning(){_isrunning = true;}static void *Routine(void *args) // 属于类内的成员函数，默认包含this指针！{Thread<T> *self = static_cast<Thread<T> *>(args);self->EnableRunning();if (self->_isdetach)self->Detach();self->_func(self->_data); // 回调处理return nullptr;}// bugpublic:Thread(func_t func, T data): _tid(0),_isdetach(false),_isrunning(false),res(nullptr),_func(func),_data(data){_name = "thread-" + std::to_string(number++);}void Detach(){if (_isdetach)return;if (_isrunning)pthread_detach(_tid);EnableDetach();}bool Start(){if (_isrunning)return false;int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, this);if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;return false;}else{std::cout << _name << " create success" << std::endl;return true;}}bool Stop(){if (_isrunning){int n = pthread_cancel(_tid);if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;return false;}else{_isrunning = false;std::cout << _name << " stop" << std::endl;return true;}}return false;}void Join(){if (_isdetach){std::cout << "你的线程已经是分离的了,不能进行join" << std::endl;return;}int n = pthread_join(_tid, &res);if (n != 0){std::cerr << "create thread error: " << strerror(n) << std::endl;}else{std::cout << "join success" << std::endl;}}~Thread(){}private:pthread_t _tid;std::string _name;bool _isdetach;bool _isrunning;void *res;func_t _func;T _data;};
}#endif

将 Thread 类从非模板改为模板（template<typename T>）后，主要改动如下：

1、模板化的核心改动

(1) 模板参数 T 的引入

template<typename T>
class Thread {using func_t = std::function<void(T)>; // 回调函数类型，接受 T 类型参数
private:func_t _func;  // 存储回调函数T _data;       // 存储线程执行时传入的数据
};

  • 作用：允许线程执行时携带任意类型的数据（T），并通过 std::function<void(T)> 回调处理。

  • 示例用法：

    void PrintInt(int x) { std::cout << x << std::endl; }
ThreadModlue::Thread<int> t(PrintInt, 42); // 线程执行时传入 int 类型数据

(2) 回调函数和数据的存储

  • _func 现在是 std::function<void(T)>，接受 T 类型参数。

  • _data 是 T 类型，在线程启动时传递给 _func。

2、关键逻辑改动

(1) Routine 静态成员函数

static void *Routine(void *args) {Thread<T> *self = static_cast<Thread<T> *>(args);self->EnableRunning();if (self->_isdetach)self->Detach();self->_func(self->_data); // 执行回调，传入 _datareturn nullptr;
}

  • 改动：线程入口函数现在会调用 _func(_data)，将 _data 传递给回调函数。

  • 问题：如果 T 是复杂类型（如非平凡可拷贝对象），直接传递 _data 可能导致性能问题（建议改用 const T& 或 T&&）。

(2) 构造函数

Thread(func_t func, T data): _tid(0), _isdetach(false), _isrunning(false), res(nullptr),_func(func), _data(data) // 初始化 _data
{_name = "thread-" + std::to_string(number++);
}

  • 改动：新增 T data 参数，用于初始化 _data。

  • 问题：如果 T 是大型对象（如 std::vector），拷贝构造 _data(data) 可能影响性能（建议用 std::move 或 const T&）。

http://www.dtcms.com/a/546183.html

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