多线程编程

摘要

线程概念,线程与进程的区别与联系
学会线程控制,线程创建,线程终止,线程等待
了解线程分离与线程安全
学会线程同步
学会使用互斥量,条件变量,posix信号量,读写锁

线程概念

main函数和信号处理函数是同一个进程地址空间中的多个控制流程,多线程也是如此.
信号处理函数的控制流程指示在信号递达时产生,在处理完信号之后结束.而多线程的控制流程可以长期并存,操作系统在各个线程之间调度和切换.
同一进程的多个线程共享同一地址空间,因此,代码段,数据段都是共享的,只有栈是私有的.

同一进程的线程共享资源:
代码段
数据段
文件描述符表
每种信号的处理方式或者自定义函数
当前工作目录
用户id和组id

各有一份:
线程id
上下文,包括各种寄存器值,程序计数器和栈指针
errno变量
信号屏蔽字
调度优先级

编译时加选项-lpthread

线程控制

A创建线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t* attr,void*(*start_routine)(void*),void* arg);
当start_routine返回时,这个线程退出,其他线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值
pthread_self可以得到当前线程的线程id.

如果任意一个线程调用了exit或者_exit,则整个进程的所有线程都终止,或者从main函数return,所有线程也终止

B线程终止
如果需要只终止某个线程而不终止整个进程
1从线程函数return,(不包括主线程)
2一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程
3线程调用pthread_exit终止自己

注:线程中返回的指针应当是指向全局的或者malloc获取的,因为线程的栈是私有的

C.线程等待
int pthread_join(pthread_t thread,void* * retval);
返回值:成功返回0,失败返回错误号

调用该函数的线程将挂起等待,直到id为thread的线程终止.
不同终止方式,pthread_join得到的终止状态是不同的:
1return返回,retval指向的单元存放返回值
2被别的线程调用pthread_cancel异常终止,存放常数PTHREAD_CANCELED
3自己调用pthread_exit终止,存放传给pthread_exit的参数.
如果对返回值不感兴趣,传NULL给retval

线程除了可以终止后等待pthread_join接收之外,还可以设置为detach状态
这样的线程一旦终止就收回它占用的所有资源,而不保留终止状态.
对一个线程调用pthread_join或pthread_detach都可以把线程设置为detach状态,所以不能对一个线程同时使用两个

线程分离

线程是可结合的(joinable)或者是可分离的(detached)

结合的线程能被其他线程收回资源和杀死.在被收回之前,他的存储器资源是不释放的.
分离线程则是不能被其他线程收回或者杀死的,他的存储器资源在终止时由系统自动释放

默认情况,线程是joinable状态.如果一个线程没有被join而结束了,那么他就是类似进程中的僵尸状态.

在主线程需要非阻塞方式时,可以在字线程中使用
pthread_detach(pthread_self())
或者在父线程中使用pthread_detach(thread_id)
进行线程分离.如此,主线程不阻塞,同时字线程资源自动释放

线程同步与互斥

A.mutex(互斥量)
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * restrict mutex, const const pthread_mutexattr_t * restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutext_t * mutex);
pthread_mutext_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZED;

参数attr设定metex的树形,如果为NULL缺省
如果mutex变量是静态分配的(全局变量或者static变量)可以使用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZED初始化

加锁解锁操作
int pthread_mutex_lock(pthread_mutext_t*mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutext_t*mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutext_t*mutex);

如果一个锁机箱获得锁,又想不挂起,调用pthread_mutex_trylock,如果被占用,那么失败返回EBUSY,而不挂起等待

死锁

如果一个线程先后调用两次lock,第二次时,由于占用挂起.然而锁自己用着,挂起没机会释放,所以就永久等待.这就是死锁
另一种死锁,两个线程使用了对方需求的锁,而又申请对方已经占用的锁.

在写程序时,应当避免同时获取多个锁,如果有必要那么:
如果所有线程需要多个锁,都按相同的顺序获取锁,则不会出现死锁

B.Condition varialbe(条件变量)

一个例子:
生产者5秒生产一个资源,消费者2秒消费一个产品,使用mutex保护处理时.那么,消费者会有每次都会有三秒的空探索.
这时我们可以改进程序.
除了锁的问题,我们条件控制,申请锁,看条件是否成立,如果成立,那么消费,否则,释放锁.阻塞等待.
当消费者产生条件时通知,我就重新获取锁并消费

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t * cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cont, const pthread_condattr_t * restrict attr);
pthread_cond_t cont = PTHREAD_COND_INITIALIZED;

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond); //广播通知条件成熟
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);//通知条件成熟
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t* lock);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t* lock,time_value* timeout);

一个condition varialbe总是和一个mutex搭配使用的.一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个vondtion variable上阻塞等待.该函数做以下三步骤:

1释放mutex
2阻塞等待
3当被唤醒时,重型获得mutex并返回

C.semaphore信号量

mutex变量是非0即1的,可以看作哦可用资源的可用数量,初始为1.
semaphore变量类型为sem_t
int sem_init(sem_t*sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t*sem);
int sem_post(sem_t*sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);

调用sem_wait获得资源
调用sem_post可以使放资源

D.读写锁

多读少写的代码加锁
读写锁实际是一种特殊的自旋锁,他把对共享资源的访问划分为读者和写着,读者制度,写着进行写操作.
这种锁相对于自旋锁而言,能提高并发性,最大可能的读者是实际逻辑CPU数.
写者是排他性的,一个读写锁智能有一个写者或者多个读者
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t * restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t* rwlock);

linux下的锁

自旋锁,文件锁,大内核锁...
自旋锁:busy-waiting
互斥锁:sleep-waiting

因为自旋锁不会引起调用者睡眠，所以自旋锁的效率远 高于互斥锁。虽然它的效率比互斥锁高，但是它也有些不足之处：
     1、自旋锁一直占用CPU，他在未获得锁的情况下，一直运行－－自旋，所以占用着CPU，如果不能在很短的时 间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低。
     2.在用自旋锁时有可能造成死锁，当递归调用时有可能造成死锁，调用有些其他函数也可能造成死锁，如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。
因此我们要慎重使用自旋锁，自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占式的内核下，自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

文件锁

防止两个进程同时操作文件而相互影响的问题

文件锁:
协同锁
如果一个进程申请文件锁并访问文件,另一个进程可以访问文件,但是被认为是非法的;
如果后进进程试图申请文件锁,那么就会申请失败,所以就协同工作了
强制锁
强制文件必须通过申请锁资源才能进行访问