00008-C/C++和Python多线程初探

C/C++和Python混合编程

发布日期: 2022-05-22

更新日期: 2024-12-28

前言

GIL：又称全局解释器锁。作用是限制多线程同时执行，保证同一时间内只有一个线程在执行。Python 由于 GIL 的存在，导致在多核 CPU 上，只能利用一个 CPU 的资源。

Python 自带的多线程在多核 CPU 上，只对于 IO 密集型计算产生正面效果；而当有至少有一个CPU密集型线程存在，那么多线程效率会由于GIL而大幅下降。

但是我们可以通过 ctypes 库引用 动态链接库 来实现真正的多线程。

本博文的代码在 Linux 版本的 Visual Studio Code 上测试的。

操作系统：Ubuntu 20.04.4 LTS

参考文档

配置 C/C++ 的环境

安装 Visual Studio Code。
为 VSCode 安装 C++ 的扩展，你能在扩展处（ Ctrl+Shift+X ）搜索 ‘c++’ 来安装 C/C++ 的扩展。扩展为

确保 GCC 已经被安装。

# First, check to see whether GCC is already installed.
gcc -v

# If GCC isn't installed, run the following command from the terminal window.
sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential gdb

创建 Hello World

mkdir projects
cd projects
mkdir helloworld
cd helloworld
code .

进入到 VSCode 界面上后，在文件资源管理器的标题栏处，新建一个 helloword.cpp，粘贴下面代码，然后 Ctrl+S 保存文件

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

using namespace std;

int main()
{
	vector<string> msg {"Hello", "C++", "World", "from", "VS Code", "and the C++ extension!"};

	for (const string& word : msg)
	{
		cout << word << " ";
	}
	cout << endl;
}

打开 helloworld.cpp 文件，按 F5 启动调试，选择 C++（GDB/LLDB）> C/C++: g++ 生成和调试活动文件。
运行完成后，你将要在命令行看到下面的输出

Hello C++ World from VS Code and the C++ extension!

C++ 多线程

C++11 之前，C++ 不包含对多线程应用程序的任何内置支持。相反，它完全依赖于操作系统来提供此功能。

本博文假设您使用的是 Linux 操作系统，我们将使用 POSIX Threads 或 Pthreads 提供的 API 编写多线程 C++ 程序。

可移植操作系统接口（英语：Portable Operating System Interface，缩写为POSIX）是 IEEE 为要在各种 UNIX 操作系统上运行软件，而定义 API 的一系列互相关联的标准的总称。

进入到 VSCode 中，在 VSCode 下面的终端运行下面的命令创建运行目录

mkdir C++多线程
cd C++多线程
mkdir 01实例
cd 01实例

01实例

新建一个 01实例.cpp 文件，粘贴下面代码，然后 Ctrl+S 保存文件

//文件名：01实例.cpp

#include<iostream>

// 必须的头文件是
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

// 线程的运行函数
void* say_hello(void* args)
{
    cout << "Hello World!" << endl;
}

int main()
{
    // 定义线程的 id 变量，多个变量使用数组
    pthread_t tids[NUM_THREADS];
    for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
    {
        //参数依次是：创建的线程id，线程参数，调用的函数，传入的函数参数
        int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, say_hello, NULL);
        if (ret != 0)
        {
            cout << "pthread_create error: error_code=" << ret << endl;
        }
    }
    //等各个线程退出后，进程才结束，否则进程强制结束了，线程可能还没反应过来；
    pthread_exit(NULL);
}

运行下面命令

g++ 01实例.cpp -lpthread -o 01实例
./01实例

打印出下面内容，由于多线程的作用，输出并不是完全按照顺序的，可以发现的有的 Hello World! 的换行符还没打印就开始打印其他线程的 Hello World 了。

Hello World!Hello World!Hello World!


Hello World!
Hello World!

02实例 - 接收传入参数

运行下面的命令创建 02实例目录

cd ..
mkdir 02实例
cd 02实例/

新建一个 02实例.cpp 文件，粘贴下面代码，然后 Ctrl+S 保存文件

//文件名：02实例.cpp

#include <iostream>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid)
{
    //对传入的参数进行强制类型转换，由无类型指针变为整形数指针，然后再读取
    int tid = *((int*)threadid);
    cout << "线程 ID, " << tid << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int indexes[NUM_THREADS]; //用数组来保存i的值
    int rc;
    int i;
    for (i=0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main() : 创建线程，" << i << endl;
        indexes[i] = i; //先保存i的值
        // 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL,
                            PrintHello, (void *)&(indexes[i]));

        if (rc) {
            cout << "Error:无法创建线程，" << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

运行下面命令

g++ 02实例.cpp -lpthread -o 02实例
./02实例

打印出下面内容，由于多线程的作用，发现有的线程还没创建，已经有线程运行完了。

main() : 创建线程，0
main() : 创建线程，1
线程 ID, 0
main() : 创建线程，2
main() : 创建线程，3
main() : 创建线程，4
线程 ID, 1
线程 ID, 2
线程 ID, 4
线程 ID, 3

03实例 - 接收结构体参数

运行下面的命令创建 03实例目录

cd ..
mkdir 03实例
cd 03实例/

新建一个 03实例.cpp 文件，粘贴下面代码，然后 Ctrl+S 保存文件

//文件名：03实例.cpp

#include <iostream>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

struct thread_data{
    int thread_id;
    char *message;
};

void *PrintHello(void *threadarg)
{
    struct thread_data *my_data;

    my_data = (struct thread_data *) threadarg;

    cout << "Thread ID : " << my_data->thread_id;
    cout << " Message : " << my_data->message << endl;

    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    struct thread_data td[NUM_THREADS];
    int rc;
    int i;

    for (i=0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
        td[i].thread_id = i;
        td[i].message = "This is message";
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL,
                PrintHello, (void *)&td[i]);
        if (rc) {
            cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

运行下面命令

g++ 03实例.cpp -lpthread -o 03实例
./03实例

打印出下面内容，由于多线程的作用，发现有的线程还没创建，已经有线程运行完了。

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
Thread ID : 0 Message : This is message
main() : creating thread, 3
Thread ID : 2 Message : This is message
main() : creating thread, 4
Thread ID : 3 Message : This is message
Thread ID : 1 Message : This is message
Thread ID : 4 Message : This is message

04实例 - pthread_join

运行下面的命令创建 04实例目录

cd ..
mkdir 04实例
cd 04实例/

新建一个 04实例.cpp 文件，粘贴下面代码，然后 Ctrl+S 保存文件

//文件名：04实例.cpp

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *wait(void *t)
{
    int i;
    long tid;

    tid = (long)t;

    sleep(1);
    cout << "Sleeping in thread " << endl;
    cout << "Thread with id : " << tid << " ...exiting " << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    int rc;
    int i;
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    pthread_attr_t attr;
    void *status;

    // 初始化并设置线程为可连接的（joinable)
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);

    for (i=0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, wait, (void *)i);
        if (rc) {
            cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }

    //删除属性，并等待其他线程
    pthread_attr_destroy(&attr);
    for (i=0; i < NUM_THREADS; i++){
        rc = pthread_join(threads[i], &status);
        if (rc) {
            cout << "Error:unable to join," << rc << endl;
            exit(-1);
        }
        cout << "Main: completed thread id :" << i;
        cout << " exiting with status :" << status << endl;
    }

    cout << "Main: program exiting." << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

运行下面命令

g++ 04实例.cpp -lpthread -o 04实例
./04实例

pthread_join() 子例程阻碍调用例程，直到指定的 threadid 线程终止为止。

打印出下面内容，由于 pthread_join() 函数的作用，线程完成是有顺序的。

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Sleeping in thread 
Sleeping in thread Thread with id : 1 ...exiting 

Thread with id : 0 ...exiting 
Main: completed thread id :0 exiting with status :0
Main: completed thread id :1 exiting with status :0
Sleeping in thread 
Thread with id : 2 ...exiting 
Main: completed thread id :2 exiting with status :0
Sleeping in thread 
Thread with id : 4 ...exiting 
Sleeping in thread 
Thread with id : 3 ...exiting 
Main: completed thread id :3 exiting with status :0
Main: completed thread id :4 exiting with status :0
Main: program exiting.

配置 Python 的环境

安装

Requires:

VSCode(前面已完成)
VSCode Python extension
Python 3

在 VSCode 中，为 VSCode 安装 Python 的扩展，你能在扩展处（ Ctrl+Shift+X ）搜索 ‘python’ 来安装 Python 的扩展。扩展为

Linux 已经内建了 Python 3，如果你需要安装其他第三方库，你需要用 get-pip.py 安装 pip。

Download the script, from https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py.

Open a terminal/command prompt, cd to the folder containing the get-pip.py file and run:

python get-pip.py

验证 Python 的安装

python3 --version

创建运行目录

mkdir hello
cd hello
code .

选择一个 Python 解释器

在 VSCode 中，你可以通过按 Ctrl+Shift+P 快捷键，然后输入 Python: Select Interpreter 命令选择解释器。

创建一个 Hello World Python 脚本

从文件资源管理器上，点击 hello 目录上的 New File 按钮，新建一个 hello.py 文件，写入下面的代码，保存文件（ Ctrl+S )

msg = "hello World"
print(msg)

你可以通过点击右上角的 Run Python File in Terminal 按钮来运行 hello.py 脚本

安装和使用 packages

你能使用 matplotlib 和 numpy 第三方库画图。但是它们不是内建在 Python 中的标准库，你需要额外的安装它们。

新建一个 standardplot.py 文件，粘贴下面的代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 20, 100)  # Create a list of evenly-spaced numbers over the range
plt.plot(x, np.sin(x))       # Plot the sine of each x point
plt.show()                   # Display the plot

你应该避免在全局解释器中安装 packages，应该使用 virtual environment 去包含全局解释器的副本，这样你能够将 packages 安装在这个副本中，能构避免不同版本的 packages 之间的冲突。

创建和激活一个虚拟环境

python3 -m venv .venv
source .venv/bin/activate

按 Ctrl+Shift+P ，输入 Python: Select Interpreter 命令，选择你的新环境
安装 the packages

# ubuntu
python3 -m pip install --upgrade pip
python3 -m pip install matplotlib

运行 standardplot.py 脚本

一旦你完成了，请在命令窗口输入 deactivate deactivate 虚拟环境。

Python 实现真正的多线程

mkdir python实现真正的多线程
cd python实现真正的多线程

新建一个 foo.c 文件，粘贴下面的代码到文件中，保存文件（ Ctrl+S ）

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void* myThread(void *arg)
{
    while (1);
}

void createThread(void)
{
    int err;
    pthread_t tid;

    err = pthread_create(&tid, NULL, myThread, NULL);
    if (err != 0) {
        printf("create thread failed!\n");
        return;
    }
    return;
}

编译成动态链接库

gcc -fPIC -shared -o libfoo.so foo.c

新建一个 ctypes_test.py 文件，粘贴下面的代码到文件中，保存文件（ Ctrl+S ）

from ctypes import *
import time

lib = CDLL("./libfoo.so", RTLD_GLOBAL)
create_thread = lib.createThread

if __name__ == '__main__':
    create_thread()
    create_thread()
    create_thread()
    create_thread()
    while True:
        print("I am in main thread!")
        time.sleep(2)

打开一个终端（运行 Python 脚本前）

# 安装 htop 命令
sudo apt-get install htop

htop

运行 ctypes_test.py 脚本

可以发现 CPU 电脑上的四个核都被利用了，实现了 Python 真正的多线程。

结语

第八篇博文写完，开心！！！！

今天，也是充满希望的一天。

LuYF-Lemon-love

https://luyf-lemon-love.space/2022/05/22/00008-c-c-he-python-duo-xian-cheng-chu-tan/

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前言

参考文档

配置 C/C++ 的环境

C++ 多线程

01实例

02实例 - 接收传入参数

03实例 - 接收结构体参数

04实例 - pthread_join

配置 Python 的环境

安装

创建一个 Hello World Python 脚本

安装和使用 packages

Python 实现真正的多线程

结语

谢谢小主！