虽然本身是做Android开发的, 但经常会用到C/C++, 最近项目中刚好通过线程同步解决了一个问题,线程知识应用太广泛了, 所以在此记录下关于C/C++中比较实用基础知识, 本篇文章就说明一下pthread中线程同步的几种方式.
pthread
pthread 即 POSIX threads, POSIX表示可移植操作系统接口(Portable Operating System Interface of UNIX), 所以pthread就是在这个标准下实现的线程, 广泛用于类Unix操作系统上, 使用需要引入的头文件为 #include <pthread.h>基本使用示例代码如下:
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int count = 0;
void* test_func_a(void* ptr);
void main() {
int loopCount = 5;
pthread_t thread[5];
char args[loopCount][10];
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
int err;
sprintf(args[i], "Thread %d ", i);
err = pthread_create(&thread[i], NULL, test_func_a, (void*) args[i]);
if (err) {
printf("create pthread failed ret:%d \n", err);
}
}
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
pthread_join(thread[i], NULL);
}
}
void* test_func_a(void* ptr) {
char* msg = (char*) ptr;
count++;
printf("%s value:%d \n", msg, count);
}
pthread创建很简单, 调用pthread_create()即可, 函数定义如下:
int pthread_create(pthread_t * thread,
const pthread_attr_t * attr,
void * (*start_routine)(void *),
void *arg);
参数1: 存储创建线程的id
参数2:一些线程属性, 如果只是普通使用, 传NULL
参数3: 函数指针, 即你要在此线程中运行的函数
参数4:用于传递参数到运行的函数中
注意:如果你是C/C++混合编程, 第三个参数在C++中只能传递全局函数或者类的静态函数, 不能传类的普通成员函数, 因为普通类成员函数是属于对象的, 类没有实例化是不能使用这个函数的.
pthread_create()创建线程后, 线程会立即运行, 通过调用pthread_join()等待线程结束, 此函数会阻塞当前线程, pthread_join()成功返回后, 线程资源就会被释放, 上面的示例代码,编译(编译要加-pthread参数)运行后输出结果是不确定的, 原因是多个线程没有同步, 造成一些不可预料的结果发生, 其中某次输出结果如下:
$ ./test_sync
Thread 0 value:1
Thread 2 value:3
Thread 1 value:2
Thread 3 value:4
Thread 4 value:5
下面开始讲线程同步的问题.
线程同步-Joins
pthread_join()大多数情况下都是用来结束线程的, 即退出程序释放相关线程, 但也可以作为简单同步功能来使用, 比如将上面示例代码修改为如下方式:
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int count = 0;
void* test_func_a(void* ptr);
void main() {
int loopCount = 5;
pthread_t thread[5];
char args[loopCount][10];
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
int err;
sprintf(args[i], "Thread %d ", i);
err = pthread_create(&thread[i], NULL, test_func_a, (void*) args[i]);
if (err) {
printf("create pthread failed ret:%d \n", err);
}
//前一个线程结束后才运行下一个线程
pthread_join(thread[i], NULL);
}
/*for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
pthread_join(thread[i], NULL);
}*/
}
void* test_func_a(void* ptr) {
char* msg = (char*) ptr;
count++;
printf("%s value:%d \n", msg, count);
}
这样修改后每次结果都是确定的, 原因是我们等前一个线程运行完成后,才启动下一个线程, 之前是一次性启动, 运行结果每次都是:
$ ./test_join
Thread 0 value:1
Thread 1 value:2
Thread 2 value:3
Thread 3 value:4
Thread 4 value:5
此方式在时间项目中使用场景有限, 很少使用.
线程同步-Mutexes
Mutex即互斥量, 如果上锁后, 其他线程则无法获得锁导致线程阻塞, 直到锁被释放,才能再次获得锁进而执行相关代码, 示例代码:
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int count = 0;
pthread_mutex_t mLock;
void* test_func_a(void* ptr);
void main() {
int loopCount = 5;
pthread_t thread[5];
char args[loopCount][10];
pthread_mutex_init(&mLock, NULL);
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
int err;
sprintf(args[i], "Thread %d ", i);
err = pthread_create(&thread[i], NULL, test_func_a, (void*) args[i]);
if (err) {
printf("create pthread failed ret:%d \n", err);
}
}
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
pthread_join(thread[i], NULL);
}
pthread_mutex_destroy(&mLock);
}
void* test_func_a(void* ptr) {
pthread_mutex_lock(&mLock);
char* msg = (char*) ptr;
count++;
printf("%s value:%d \n", msg, count);
pthread_mutex_unlock(&mLock);
}
使用流程如下:
1.定义 pthread_mutex_t pthread_mutex_t mLock;
- 初始化有两种方式, 调用
pthread_mutex_init(&mLock, NULL);或者mLock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;效果一样, 后者是通过定义的宏来实现的. - 调用lock和unlock函数, 上锁(获得锁)
pthread_mutex_lock(&mLock);, 解锁(释放锁)pthread_mutex_unlock(&mLock);, 同一时间只有一个线程能获得该锁, 被lock后, 其他线程调用lock函数会阻塞当前线程. - 释放定义的pthread_mutex_t 资源, 调用
pthread_mutex_destroy(&mLock);
上面代码运行结果如下:
$ ./test_mutex
Thread 0 value:1
Thread 1 value:2
Thread 2 value:3
Thread 3 value:4
Thread 4 value:5
注意: 上面的例子只能保证value的值是按照预期从1变为5的, 但并不能保证thread的运行顺序,也就是说你运行的结果有可能是下面这样的:
$ ./test_mutex
Thread 0 value:1
Thread 2 value:2
Thread 1 value:3
Thread 3 value:4
Thread 4 value:5
原因是上面的例子并不能保证各个线程获取锁的顺序, 因为每个线程获得锁的优先级是相同的, 所以顺序有可能每次都不一样.
线程同步-Condition Variables
Condition Variables 即条件变量, 在线程同步使用过程中要配合上面的mutex进行使用, 实际多线程开发使用较多, 比如经典的生产者-消费者关系就可以通过Condition Variables来实现, 常用的场景为满足某个条件让当前线程阻塞进行等待, 当其他线程满足另一个条件后, 通知正在等待的线程进行工作.
下面通过一个简单例子来说明下基本使用:
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int count = 0;
pthread_mutex_t mLock;
pthread_cond_t mCond;
void* test_func_a(void* ptr);
void main() {
int loopCount = 5;
pthread_t thread[5];
char args[loopCount][10];
pthread_mutex_init(&mLock, NULL);
pthread_cond_init(&mCond, NULL);
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
int err;
sprintf(args[i], "Thread %d ", i);
err = pthread_create(&thread[i], NULL, test_func_a, (void*) args[i]);
if (err) {
printf("create pthread failed ret:%d \n", err);
}
}
printf("sleep 1s start \n");
sleep(1);
printf("sleep 1s end, call pthread_cond_signal() \n");
pthread_mutex_lock(&mLock);
//唤醒所有等待mCond的线程
pthread_cond_broadcast(&mCond);
//唤醒一个线程,如果当前有多个线程等待,
//根据优先级和等待时间选择其中一个线程进行唤醒
//pthread_cond_signal(&mCond);
pthread_mutex_unlock(&mLock);
for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
pthread_join(thread[i], NULL);
}
pthread_mutex_destroy(&mLock);
pthread_cond_destroy(&mCond);
}
void* test_func_a(void* ptr) {
pthread_mutex_lock(&mLock);
pthread_cond_wait(&mCond, &mLock);
pthread_mutex_unlock(&mLock);
char* msg = (char*) ptr;
count++;
printf("%s value:%d \n", msg, count);
}
使用流程和mutex差不多,如下:
- 定义 pthread_cond_t
pthread_cond_t mCond; - 初始化也和mutex一样两种方式
pthread_cond_init(&mCond, NULL);和mCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; - 让当前线程阻塞进入等待状态
pthread_mutex_lock(&mLock);
pthread_cond_wait(&mCond, &mLock);
pthread_mutex_unlock(&mLock);
注意, 此处必须和mutex一起使用, 即调用pthread_cond_wait()这个函数本身要上锁, 否则会产生不可预料异常.
- 唤醒等待此条件变量的线程
pthread_mutex_lock(&mLock);
//唤醒所有等待mCond的线程
pthread_cond_broadcast(&mCond);
//唤醒一个线程,如果当前有多个线程等待,
//根据优先级和等待时间选择其中一个线程进行唤醒
//pthread_cond_signal(&mCond);
pthread_mutex_unlock(&mLock);
- 释放资源
pthread_cond_destroy(&mCond);
上面示例代码基本逻辑是启动五个线程, 默认开始就阻塞(等待mCond), 然后主线程sleep 1s后, 唤醒所有等待的线程, 此时5个线程会同时运行同一个函数, 输出结果不可预料, 某次结果如下:
$ ./test_cond
sleep 1s start
sleep 1s end, call pthread_cond_signal()
Thread 0 value:1
Thread 3 value:4
Thread 1 value:2
Thread 2 value:3
Thread 4 value:5
总结
根据我自己遇到的一些多线程问题, 我觉得多线程开发需要注意一下几点:
- 不要以常规思维思考没做过同步的一些代码的运行结果, 很多结果你自己是没法预料的.
- 写代码时思路要清晰, 有lock就要保证能在合适时机unlock, 不然很容易出现死锁.
- 线程参数传递大多数是通过指针来实现的, 需要注意这些参数的生命周期, C/C++和Java不同,
Java中只要有引用对象就不会被释放, 但C/C++中则不同, 超出作用域或者手动释放, 相关资源都会变为不可用, 由于线程运行时间大多数不是立即运行的, 所以这种问题也比较常见.
本文讲了三种线程同步方式 Joins, Mutexes和Condition Variables, 实际项目中后两个用的非常多, join更多的用在最后释放资源的时候用, 示例代码都是非常简单的基本使用方法, 还有很多高级用法没有说明, 有兴趣可自行查阅, 这里推荐一个非常不错的网站 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html
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