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韌體工程師的不只 0x10 個問題系列 第 22 篇

Day 22 - 初探多執行緒

18th鐵人賽
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Day 17 的文章曾經為了鋪陳 volatile 關鍵字用法，做了些執行緒的超入門介紹，但執行緒主題其實還有好多內容，就從這篇開始細細探討。

Day 17 文章回顧

Day 17 文章中曾提及程式、行程與執行緒三者關係圖如下：

程式（program）
     ↓ 開始運行
行程／程序（program）   
 |
 | ┌─> 執行緒一（thread 1）
 └─|
   └─> 執行緒二（thread 2）

執行緒的操作

創建執行緒

語法為 thread thread_name(callable)，可以把 thread 想成物件，而透過此語法建立出來的執行緒 thread_name 就是一個實例。

新創建的執行緒實例可被 join()，表示該實例對於其對應的執行緒有關聯性。

範例用法如下：

#include <iostream>
#include <thread>

void work() {
    std::cout << "Thread starts working\n";
    std::cout << "Thread finishes working\n";
}

int main() {
    std::thread t(work);

    std::cout << "Main thread is waiting...\n";
    t.join();
    std::cout << "Thread has finished, back to main\n";

    return 0;
}

這裡的主執行緒 main() 執行到一半時，新實例 t 被建立、啟動新的執行緒去跑 work()。

執行到 t.join() 時，主執行緒會暫停，等 t 綁定的新執行緒做完後才繼續跑，執行結果如下：

Main thread is waiting...
Thread starts working
Thread finishes working
Thread has finished, back to main

.joinable()：檢查是否仍與執行緒有關聯性

在實際 join() 前，可以用 .joinable() 方法檢查該實例與新執行緒是否仍有關聯，範例如下：

#include <iostream>
#include <thread>

void work() {
    std::cout << "Thread starts working\n";
    std::cout << "Thread finishes working\n";
}

int main() {
    std::thread t(work);

    std::cout << "Before join, t.joinable() = " << t.joinable() << '\n';

    std::cout << "Main thread is waiting...\n";
    t.join();

    std::cout << "After join, t.joinable() = " << t.joinable() << '\n';
    std::cout << "Thread has finished, back to main\n";

    return 0;
}

結果如下：

Before join, t.joinable() = 1
Main thread is waiting...
Thread starts working
Thread finishes working
After join, t.joinable() = 0
Thread has finished, back to main

在新執行緒實例 t 剛被創建起來時，這個 t 對於新執行緒有關聯，因此 t.joinable() 的結果為 1；但在經過 t.join()，t 就不再對該執行緒有關聯，此時 t.joinable() 的結果變為 0。

.get_id()：追蹤執行緒 ID

如果想要追蹤執行緒的 ID，可以用 thread_name.get_id();，例如：

#include <iostream>
#include <thread>

void work() {
    std::cout << "Worker thread id: " << std::this_thread::get_id() << '\n';
    std::cout << "Thread starts working\n";
    std::cout << "Thread finishes working\n";
}

int main() {
    std::thread t(work);

    std::cout << "Main thread id:   " << std::this_thread::get_id() << '\n';
    std::cout << "New thread id:    " << t.get_id() << '\n';

    std::cout << "Main thread is waiting...\n";
    t.join();
    std::cout << "Thread has finished, back to main\n";

    return 0;
}

顯示結果為：

Main thread id:   129810305829760
New thread id:    129810305816256
Main thread is waiting...
Worker thread id: 129810305816256
Thread starts working
Thread finishes working
Thread has finished, back to main

由此可知主執行緒 ID 為 129810305829760、新執行緒 ID 為 129810305816256，但這並非固定值，每次執行的 ID 都可能會變，因此使用 .get_id() 能做的是「在當次執行區分不同執行緒」，不能用拿到的 ID 值做任何商業邏輯。

.detach()：讓新執行緒在背景跑

剛剛的範例是讓主執行緒等新執行緒跑完才繼續跑，而如果希望讓主執行緒不等新執行緒跑完就繼續執行，可以用 thread_name.detach(); 讓新執行緒在背景跑，範例如下：

#include <iostream>
#include <thread>

void work() {
    std::cout << "Thread starts working\n";
    std::cout << "Thread finishes working\n";
}

int main() {
    std::thread t(work);

    std::cout << "Main thread is not waiting...\n";
    t.detach();     // 主執行緒不等新執行緒跑完就繼續跑
    std::cout << "Main thread continues immediately\n";

    return 0;
}

這裡使用 t.detach(); 表示新執行緒在背景跑，主執行緒不會等它跑完，因此結果如下：

Main thread is not waiting...
Main thread continues immediately
Thread starts working
Thread finishes working

主執行緒的 Main thread continues immediately 先跑完，才跑新執行緒裡的 Thread starts working 與 Thread finishes working。

值得留意的是，如果主執行緒很快就結束，那整個程式都會跟著結束，不會等在背景跑的新執行緒跑完。

在經過 t.detach() 後，t 也會喪失對該執行緒的關聯性，因此 t.joinable() 也會變成 0。

傳值與傳參考的比較

接下來兩個範例都會傳參數給執行緒。

首先是傳值：

#include <iostream>
#include <thread>

void printNumber(int x) {
    x += 10;
    std::cout << "Inside thread, x = " << x << '\n';
}

int main() {
    int num = 5;

    std::thread t(printNumber, num);
    t.join();

    std::cout << "In main, num = " << num << '\n';
    return 0;
}

這裡的新執行緒 t 把 num 變數的值（也就是 main() 中定義的 5）傳到 printNumber() 中，但因為傳的是值的副本，所以 printNumber() 中的 x += 10 只會改到新執行緒的 x，不會連主執行緒的 num 一起改，因此執行結果為：

Inside thread, x = 15
In main, num = 5

然而，若如果改回傳參考如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>    // std::ref(num) 定義在 <functional> 函式庫中

void addTen(int& x) {    // 傳入的為位址
    x += 10;             // 會改到主執行緒 main() 中的 num
    std::cout << "Inside thread, x = " << x << '\n';
}

int main() {
    int num = 5;

    std::thread t(addTen, std::ref(num));  // 特別指名要傳的是 num 的參考，而非副本
    t.join();

    std::cout << "In main, num = " << num << '\n';
    return 0;
}

這裡的新執行緒 t 有指名傳入參數為 num 的位址 ref(num)，因此 addTen() 裡面的 x += 10 會改到主執行緒的 num，執行結果如下：

Inside thread, x = 15
In main, num = 15

使用 Lambda 表達式

剛剛的範例都可以用 Day 13 介紹的 Lambda 表達式取代，例如「創建執行緒」的範例可以改成：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    std::thread t([]() {       // 改成 Lambda 表達式寫法
        std::cout << "Thread starts working\n";
        std::cout << "Thread finishes working\n";
    });

    std::cout << "Main thread is waiting...\n";
    t.join();
    std::cout << "Thread has finished, back to main\n";

    return 0;
}

此範例沒有任何參數，接著將依序討論用「捕獲」與「參數」傳「值」跟「參考」各自的寫法。

用 Lambda 表達式傳值

以「傳值」傳參數的範例可以改成：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    int num = 5;

    std::thread t([](int num) { // 函數改用 Lambda 表達式，以參數傳入 num 的副本
        num += 10;  // 修改 num 副本的值
        std::cout << "Inside thread, num = " << num << '\n';
    }, num);  // num 為要傳進 Lambda 表達式的參數

    t.join();

    std::cout << "In main, num = " << num << '\n';
    return 0;
}

或者用捕獲的方式可以寫成：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    int num = 5;

    std::thread t([num]() mutable { // 傳進的是 num 的副本，要加 mutable 才能改動副本
        num += 10;  // 改變的是副本
        std::cout << "Inside thread, num = " << num << '\n';
    });

    t.join();

    std::cout << "In main, num = " << num << '\n';
    return 0;
}

以上兩範例的執行結果皆如下：

Inside thread, num = 15
In main, num = 5

用 Lambda 表達式傳參考

以「傳參考」傳參數的範例可以改成：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>

int main() {
    int num = 5;

    std::thread t([](int& num) {  // 用參數傳 x 的參考進去
        num += 10; // 直接改動外面的 num = 5
        std::cout << "Inside thread, num = " << num << '\n';
    }, std::ref(num));

    t.join();

    std::cout << "In main, num = " << num << '\n';
    return 0;
}

或者用捕獲的方式可以寫成：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    int num = 5;

    std::thread t([&num]() {  // 用捕獲傳 num 的參考進去
        num += 10;  // 直接改動外面的 num = 5
        std::cout << "Inside thread, num = " << num << '\n';
    });

    t.join();

    std::cout << "In main, num = " << num << '\n';
    return 0;
}

這兩種寫法的執行結果都是：

Inside thread, num = 15
In main, num = 15

觀察：執行緒執行順序

如果有很多新執行緒，如下：

#include <iostream>
#include <thread>

void printMessage(int id) {
    std::cout << "Thread " << id << " is running\n";
}

int main() {
    std::thread t1(printMessage, 1);
    std::thread t2(printMessage, 2);
    std::thread t3(printMessage, 3);

    t3.join();
    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "All threads finished\n";
    return 0;
}

會出現什麼結果呢？

主執行緒的 All threads finished 一定會最後顯示，但三個新執行緒到底是誰先執行，完全看當下作業系統怎麼排，並不是先寫的就先執行，所以顯示結果可能為：

Thread 1 is running
Thread 2 is running
Thread 3 is running
All threads finished

也可能是：

Thread 3 is running
Thread 1 is running
Thread 2 is running
All threads finished

或者：

Thread 2 is running
Thread 3 is running
Thread 1 is running
All threads finished

甚至可能是：

Thread Thread 1 is running
Thread 3 is running
2 is running
All threads finished

看起來很混亂，但這也顯示多個執行緒共享資源時，結果非常不可預期，不只執行順序不固定，連輸出都可能被切開、交錯，因此，後面會再介紹「同步（synchronization）機制來避免這樣的執行方式。

參考資料

  1. Multithreading in C++ (GeeksforGeeks)
  2. 多執行緒 — C++ Thread — C++ Thread（李謦伊 Medium）
  3. Threads in C++ The interleaving pattern (Stack Overflow)

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