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[系统运维]Linux多线程编程

本文内容主要来自博文： linux多线程编程初探

一.线程概述

1.线程与进程的区别

… .典型的UNIX/Linux进程可以看成只有一个控制线程：一个进程在同一时刻只做一件事情。有了多个控制线程后，在程序设计时可以把进程设计成在同一时刻做不止一件事，每个线程各自处理独立的任务。　
进程：
进程是程序执行时的一个实例，是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的基本单位。在面向线程设计的系统中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。程序本身只是指令、数据及其组织形式的描述，进程才是程序（那些指令和数据）的真正运行实例。

线程：
在这里插入图片描述
！进程——资源分配的最小单位，线程——程序执行的最小单位

2.使用线程的优势

从上面我们知道了进程与线程的区别，其实这些区别也就是我们使用线程的理由。总的来说就是：进程有独立的地址空间，线程没有单独的地址空间（同一进程内的线程共享进程的地址空间）。
（1）和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。
------在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。
-----据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。
（2）线程间方便的通信机制。
------对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。
（3）提高应用程序响应。
（4）使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。
（5）改善程序结构。

二. Linux线程相关API

___.多线程开发在 Linux 平台上已经有成熟的 pthread 库支持。其涉及的多线程开发的最基本概念主要包含三点：线程，互斥锁，条件。其中，线程操作又分线程的创建，退出，等待 3 种。互斥锁则包括 4 种操作，分别是创建，销毁，加锁和解锁。条件操作有 5 种操作：创建，销毁，触发，广播和等待。其他的一些线程扩展概念，如信号灯等，都可以通过上面的三个基本元素的基本操作封装出来。详细请键下表：
在这里插入图片描述

1.与线程自身相关API

（1）线程创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

在这里插入图片描述
（2）线程退出
单个线程可以通过以下三种方式退出，在不终止整个进程的情况下停止它的控制流：

1）线程只是从启动例程中返回，返回值是线程的退出码。

2）线程可以被同一进程中的其他线程取消。

3）线程调用pthread_exit：

#include <pthread.h>
int pthread_exit(void *rval_ptr);

rval_ptr是一个无类型指针，与传给启动例程的单个参数类似。进程中的其他线程可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针。
（3）线程等待

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

在这里插入图片描述
（4）线程脱离

pthread_detach函数把指定的线程转变为脱离状态。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

本函数通常由想让自己脱离的线程使用，就如以下语句：

pthread_detach(pthread_self());

（5）线程ID获取及比较

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
// 返回：调用线程的ID

对于线程ID比较，为了可移植操作，我们不能简单地把线程ID当作整数来处理，因为不同系统对线程ID的定义可能不一样。我们应该要用下边的函数：

#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);
// 返回：若相等则返回非0值，否则返回0

在这里插入图片描述
1.多线程创建示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
//int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr//, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);

void *fun1(void *arg)
{
        //static int ret = 10;  传数字
        static char *p = "this is t1 pthread!";
        printf("t1:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t1:params is %d\n", *((int *)arg));

        //pthread_exit((void *)&ret);
        pthread_exit((void *)p);
}
int main()
{
        int ret;
        int params = 100;
        pthread_t t1;
        //int *pret = NULL;
        char *pret = NULL;
        //线程创建，成功返回0
        ret = pthread_create(&t1,NULL,fun1,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t1 success!\n");
        }

        printf("main:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());// 线程的id
		//线程等待，会阻塞，否则main程序执行完之前t1线程就结束了，看不到任何信息。pthread_join函数访问到pthread_exit里的指针参数。
        pthread_join(t1,(void **)&pret);
        printf("main: quit,:%s\n ",pret);
        return 0;
}

2.线程共享内存空间

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
//int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr//, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);

int data=0;
void *fun1(void *arg)
{
        printf("t1:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t1:params is %d\n", *((int *)arg));
        while(1)
        {
                printf("t1:%d\n",data++);
                sleep(1);
        }
}
void *fun2(void *arg)
{
        printf("t2:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t2:params is %d\n", *((int *)arg));
        while(1)
        {
                printf("t2:%d\n",data++);
                sleep(1);
        }
}

int main()
{
        int ret;
        int params = 100;
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        char *pret = NULL;
        ret = pthread_create(&t1,NULL,fun1,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t1 success!\n");
        }
		ret = pthread_create(&t2,NULL,fun2,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t1 success!\n");
        }
        printf("main:%ld\n",(unsigned long)pthread_self());
        while(1)
        {
                printf("main:%d\n",data++);
                sleep(1);
        }
        pthread_join(t1,NULL);
        pthread_join(t2,NULL);
        return 0;
}

2.与互斥锁相关API

互斥量（mutex）从本质上来说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量上的锁。
在多线程编程中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。
对互斥量进行加锁后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程将会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果在释放锁时有多个线程阻塞，则其他线程之间会竞争，抢这把锁，之后其他线程再次阻塞。
在这里插入图片描述
1. 创建及销毁互斥锁

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t mutex);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

要用默认的属性初始化互斥量，只需把attr设置为NULL。
2. 加锁及解锁

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

在这里插入图片描述
示例代码：

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

int data=0;
pthread_mutex_t mutex;//创建锁，为全局变量
void *fun1(void *arg)
{
        pthread_mutex_lock(&mutex);// 加锁
        for(int i = 0;i<5;i++)
        {
                printf("t1:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
                printf("t1:params is %d\n", *((int *)arg));
                sleep(1);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);// 放锁
}
void *fun2(void *arg)
{
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("t2:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t2:params is %d\n", *((int *)arg));
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *fun3(void *arg)
{
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("t3:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t3:params is %d\n", *((int *)arg));
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
int main()
{
        int ret;
        int params = 100;
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        pthread_t t3;
        char *pret = NULL;
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);// 初始化锁
        ret = pthread_create(&t1,NULL,fun1,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t1 success!\n");
        }
        ret = pthread_create(&t2,NULL,fun2,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t2 success!\n");
        }
        ret = pthread_create(&t3,NULL,fun3,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t3 success!\n");
        }
        printf("main:%ld\n",(unsigned long)pthread_self());
        pthread_join(t1,NULL);
        pthread_join(t2,NULL);
        pthread_join(t3,NULL);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        return 0;
}

运行结果：t1被锁住以后，其他线程被阻塞，t1释放锁后， t2和t3互相争夺互斥量。
在这里插入图片描述
3.互斥锁限制共享资源的访问
在t1线程上锁后，其他线程阻塞，t1访问共享资源data, data值为3时，释放锁，并销毁此线程，然后t2和main里的两个线程不断争夺资源。（t2每次访问共享资源都会先上锁，在释放锁）。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
//int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr//, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);

int data=0;
pthread_mutex_t mutex;
void *fun1(void *arg)
{
        printf("t1:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t1:params is %d\n", *((int *)arg));
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(1)
        {
                printf("t1:%d\n",data++);
                sleep(1);
                if(data == 3)
                {
                        pthread_mutex_unlock(&mutex);
                        printf("t1 quit-----------------\n");
                        pthread_exit(NULL);
                }

        }
}
void *fun2(void *arg)
{
        printf("t2:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t2:params is %d\n", *((int *)arg));
        while(1)
        {
                printf("t2:%d\n",data);
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                data++;
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                sleep(1);
        }
}

int main()
{
        int ret;
        int params = 100;
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        char *pret = NULL;
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        ret = pthread_create(&t1,NULL,fun1,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t1 success!\n");
        }
        ret = pthread_create(&t2,NULL,fun2,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
                printf("main:creat t1 success!\n");
        }
        printf("main:%ld\n",(unsigned long)pthread_self());
        while(1)
        {
                printf("main:%d\n",data);
                sleep(1);
        }
        pthread_join(t1,NULL);
        pthread_join(t2,NULL);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        return 0;
}

4.在使用多把锁的时候，一定要注意死锁的情况
什么情况会造成死锁呢？
首先有两个锁a和b，当线程A获得一把锁a的时候，还想要获取另外一把锁b，而线程B手里拿着线程A想要的那把锁b,同时它也想去拿A手里的那把锁，这样，导致线程A和线程B都想拿到对方的锁，但谁都不可能往下去解锁，将导致死锁的情况发生。

3.与条件变量相关API

在这里插入图片描述

创建及销毁条件变量

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t cond);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

除非需要创建一个非默认属性的条件变量，否则pthread_cond_init函数的attr参数可以设置为NULL。

等待

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, cond struct timespec *restrict timeout);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

在这里插入图片描述

触发

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t cond);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

这两个函数可以用于通知线程条件已经满足。pthread_cond_signal函数将唤醒等待该条件的某个线程，而pthread_cond_broadcast函数将唤醒等待该条件的所有进程。
注意一定要在改变条件状态以后再给线程发信号。

在做初始化时，可以用动态初始化（如下列代码），也可用静态初始化（用宏初始化）
（如：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER）。

示例代码demo：

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


int data=0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void *fun1(void *arg)
{
        printf("t1:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t1:params is %d\n", *((int *)arg));
        while(1)
        {
                pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
                printf("t1 quit-----------------\n");
                printf("t1:%d\n",data);
                data = 0;
                sleep(1);
        }
}
void *fun2(void *arg)
{
        printf("t2:%ld thread is create!\n",(unsigned long)pthread_self());
        printf("t2:params is %d\n", *((int *)arg));
        while(1)
        {
                printf("t2:%d\n",data);
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                data++;
                if(data == 3)
                {
                        pthread_cond_signal(&cond);
                }
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                sleep(1);
        }
}
int main()
{
        int ret;
        int params = 100;
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        char *pret = NULL;
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL); // d动态初始化
        pthread_cond_init(&cond,NULL);
        ret = pthread_create(&t1,NULL,fun1,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
//              printf("main:creat t1 success!\n");
        }
        ret = pthread_create(&t2,NULL,fun2,(void *)&params);
        if(ret == 0)
        {
//               printf("main:creat t1 success!\n");
        }
//      printf("main:%ld\n",(unsigned long)pthread_self());
        pthread_join(t1,NULL);
        pthread_join(t2,NULL);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        pthread_cond_destroy(&cond);
        return 0;
}