C++多线程强制终止

摘要：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。

本文分享自华为云社区《如何编写高效、优雅、可信代码系列（1）——C++多线程强制终止》，原文作者：我是一颗大西瓜  。

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()和pthread_cancel()，windows系统的win32.h中的ExitThread()和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()并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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