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如何编写高效、优雅、可信代码系列(1)——C++多线程强制终止

我是一颗大西瓜 发表于 2021-06-02 22:41:03 2021-06-02
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【摘要】 故事的起因来源于我在优化他人c++源码的时候,想通过多线程的方式提升程序的运算效率,主要存在以下需求和难点:多个线程并行跑模型,看哪个模型跑的快,跑出来后结束其他线程,线程间独立运行无通信过程源码模型很复杂,函数调用较多,不好改动,因此不太适合通过信号或标志进行通信终止网上搜索了一下线程结束的几种方式:线程函数的return返回(建议)。这种退出线程的方式是最安全的,在线程函数return返...

故事的起因来源于我在优化他人c++源码的时候,想通过多线程的方式提升程序的运算效率,主要存在以下需求和难点:

  1. 多个线程并行跑模型,看哪个模型跑的快,跑出来后结束其他线程,线程间独立运行无通信过程
  2. 源码模型很复杂,函数调用较多,不好改动,因此不太适合通过信号或标志进行通信终止

网上搜索了一下线程结束的几种方式:

  1. 线程函数的return返回(建议)。这种退出线程的方式是最安全的,在线程函数return返回后, 会清理函数内申请的类对象, 即调用这些对象的析构函数.。然后会自动调用 _endthreadex()函数来清理 _beginthreadex()函数申请的资源(主要是创建的tiddata对象)。
  2. 同一个进程或另一个进程中的线程调用TerminateThread函数(应避免使用该方法)。TerminateThread能够撤消任何线程,其中hThread参数用于标识被终止运行的线程的句柄。当线程终止运行时,它的退出代码成为你作为dwExitCode参数传递的值。同时,线程的内核对象的使用计数也被递减。注意TerminateThread函数是异步运行的函数,也就是说,它告诉系统你想要线程终止运行,但是,当函数返回时,不能保证线程被撤消。如果需要确切地知道该线程已经终止运行,必须调用WaitForSingleObject或者类似的函数,传递线程的句柄。
  3. 通过调用ExitThread函数,线程将自行撤消(最好不使用该方法)。该函数将终止线程的运行,并导致操作系统清除该线程使用的所有操作系统资源。但是,C++资源(如C++类对象)将不被析构。
  4. ExitProcess和TerminateProcess函数也可以用来终止线程的运行(应避免使用该方法)

选项2和3可能会导致内存泄漏,实际上,没有任何语言或操作系统可以为你提供异步突然终止线程的便利,且不会警告你不要使用它们。所有这些执行环境都强烈建议开发人员,甚至要求在协作或同步线程终止的基础上构建多线程应用程序。

现有的线程结束函数,包括linux系统的pthread.h中的pthread_exit()pthread_cancel(),windows系统的win32.h中的ExitThread()TerminateThread(),也就是说,C++没有提供kill掉某个线程的能力,只能被动地等待某个线程的自然结束,析构函数~thread()也不能停止线程,析构函数只能在线程静止时终止线程joinable,对于连接/分离的线程,析构函数根本无法终止线程。

要终止与OS /编译器相关的函数的线程,我们需要知道如何从C++获取本机线程数据类型std::thread。幸运的是,在调用或之前std::thread提供了一个API native_handle()以获取线程的本机句柄类型。并且可以将此本地句柄传递给本地OS线程终止函数,例如join() detach() pthread_cancel()

以下代码用于显示std::thread::native_handle()std::thread::get_id()pthread_self()返回相同的代码pthread_t来处理Linux / GCC的C++线程

#include <mutex>
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
 
std::mutex iomutex;
void f(int num)
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::lock_guard<std::mutex> lk(iomutex);
    std::cout << "Thread " << num << " pthread_t " << pthread_self() << std::endl;
}
 
int main()
{
    std::thread t1(f, 1), t2(f, 2);
    
    //t1.join(); t2.join();  ----------------pos 1
    //t1.detach(); t2.detach(); -------------pos 2
    
    std::cout << "Thread 1 thread id " << t1.get_id() << std::endl;
    std::cout << "Thread 2 thread id " << t2.get_id() << std::endl;
    
    std::cout << "Thread 1 native handle " << t1.native_handle() << std::endl;
    std::cout << "Thread 2 native handle " << t2.native_handle() << std::endl;
    
    t1.join(); t2.join();
    //t1.detach(); t2.detach();
}

运行后可以得到结果

$ g++ -Wall -std=c++11 cpp_thread_pthread.cc -o cpp_thread_pthread -pthread -lpthread
$ ./cpp_thread_pthread 
Thread 1 thread id 140109390030592
Thread 2 thread id 140109381637888
Thread 1 native handle 140109390030592
Thread 2 native handle 140109381637888
Thread 1 pthread_t 140109390030592
Thread 2 pthread_t 140109381637888

uncommentpos 1或者pos 2后,即调用join()或之后detach(),C++线程会丢失本机句柄类型的信息

$ ./cpp_thread_pthread
Thread 1 pthread_t 139811504355072
Thread 2 pthread_t 139811495962368
Thread 1 thread id thread::id of a non-executing thread
Thread 2 thread id thread::id of a non-executing thread
Thread 1 native handle 0
Thread 2 native handle 0

因此,要有效地调用本机线程终止函数(例如pthread_cancel),需要在调用std::thread::join()时或之前保存本机句柄std::thread::detach()。这样,始终可以使用有效的本机句柄终止线程。

class Foo {
public:
    void sleep_for(const std::string &tname, int num)
    {
        prctl(PR_SET_NAME,tname.c_str(),0,0,0);        
        sleep(num);
    }

    void start_thread(const std::string &tname)
    {
        std::thread thrd = std::thread(&Foo::sleep_for, this, tname, 3600);
        tm_[tname] = thrd.native_handle();
        thrd.detach();
        std::cout << "Thread " << tname << " created:" << std::endl;
    }

    void stop_thread(const std::string &tname)
    {
        ThreadMap::const_iterator it = tm_.find(tname);
        if (it != tm_.end()) {
            pthread_cancel(it->second);
            tm_.erase(tname);
            std::cout << "Thread " << tname << " killed:" << std::endl;
        }
    }

private:
    typedef std::unordered_map<std::string, pthread_t> ThreadMap;
    ThreadMap tm_;
};

int main()
{
    Foo foo;
    std::string keyword("test_thread");
    std::string tname1 = keyword + "1";
    std::string tname2 = keyword + "2";

    // create and kill thread 1
    foo.start_thread(tname1);
    foo.stop_thread(tname1);

    // create and kill thread 2
    foo.start_thread(tname2);
    foo.stop_thread(tname2);

    return 0;
}

结果是

$ g++ -Wall -std=c++11 kill_cpp_thread.cc -o kill_cpp_thread -pthread -lpthread
$ ./kill_cpp_thread 
Thread test_thread1 created:
30332 30333 pts/5    00:00:00 test_thread1
Thread test_thread1 killed:
Thread test_thread2 created:
30332 30340 pts/5    00:00:00 test_thread2
Thread test_thread2 killed:

当然,条件允许的话最好还是使用返回或信号的方式终止线程,这样也符合安全可信的要求。

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