线程概念

什么是线程

• LWP：Light Weight Process，轻量级的进程，本质仍是进程（在Linux环境下）。
• 进程：独立地址空间，拥有PCB。
• 线程：也有PCB，但没有独立的地址空间（共享）。
• 进程与线程的区别：在于是否共享地址空间。
  • 独居（进程）。
  • 合租（线程）。
• Linux下：
  • 线程：最小的执行单位。
  • 进程：最小分配资源单位，可看成是一个线程的进程。

• 安装man文档

  sudo apt-get install glibc-doc
  sudo apt-get install manpages-posix-dev
  

Linux内核线程实现原理

• 类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。
• 1、轻量级进程（light-weight process），也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone。
• 2、从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的。
• 3、进程可以蜕变成线程。
• 4、线程可看做寄存器和栈的集合。
• 5、在Linux下，线程是最小的执行单位；进程是最小的分配资源单位。
• 察看LWP号：ps -Lf pid，查看指定线程的LWP号。

• 三级映射：进程PCB --> 页目录（可看成数组，首地址位于PCB中） --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元
  • 参考《Linux内核源代码情景分析》 -- 毛德操

• 对于进程来说，相同的地址（同一个虚拟址）在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。
• 但线程不同！两个线程具有各自独立的PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个PCB共享一个地址空间。
• 实际上，无论是创建的fork，还是创建线程的pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数clone。
• 如果复制对方的地址空间，那么就产生一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。
• 因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只有用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数pthread_*是库函数，而非系统调用。

线程共享资源

• 1、文件描述符表
• 2、每种信号的处理方式。
• 3、当前工作目录。
• 4、用户ID和组ID。
• 5、内存地址空间（.text/.data/.bss/heap/共享库）

线程非共享资源

• 1、线程ID。
• 2、处理器现场和栈指针。
• 3、独立的栈空间（用户空间栈）。
• 4、errno变量.
• 5、信号屏蔽字。
• 6、调度优先级。

线程优点、缺点

• 优点
  • 1、提高程序并发性。
  • 2、开销小。
  • 3、数据通信、共享数据方便。
• 缺点
  • 1、库函数，不稳定。
  • 2、调试、编写困难、gdb不支持。
  • 3、对信号支持不好。
• 优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。

线程控制原语

pthread_self函数

• 获取线程ID。其作用对应进程中getpid()函数。
• pthread_t pthread_self(void); - 返回值：成功：0；失败：无！
• 线程ID：pthread_t类型，本质：在Linux下为无符号整数（%lu），其他系统中可能是结构体实现。
• 线程ID是进程内部，识别标志。（两个进程间，线程ID允许相同）。
• 注意：不应使用全局变量pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。

pthread_create函数

• 创建一个新线程。其作用，对应进程中fork()函数。
• int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
• 返回值：成功：0；失败：错误号。Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。
• 参数
  • pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;
  • 参数1：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID。
  • 参数2：通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。
  • 参数3：函数指针，指向线程主函数（线程体），该函数运行结束，则线程结束。
  • 参数4：线程主函数执行期间所使用的参数。
• 在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行的代码由我们传给pthread_create的函数指针start_routine决定。start_routine函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine返回时，这个线程就退出了，其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。
• pthread_create成功返回后，新创建的线程ID被填写到thread参数指向的内存单元。我们知道进程ID的类型是pid_t，每个进程的ID在整个系统中是唯一的，调用getpid(2)可以获得当前进程ID，是一个正整数值。线程ID的类型是thread_t，它只是当前进程中保证是唯一的，不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，这可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self(3)可以获得当前线程的ID。
• attr参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考APUE。

• 【练习】：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库-lpthread

  • 由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都会终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的方法。

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>                                                                                   
  
  void *thread_func(void *arg)
  {
      printf("In thread: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());
      return NULL;
  }
  
  int main()
  {
      pthread_t tid;
      int ret;
  
      printf("In main1: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());
  
      ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
      if(ret != 0){
          fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));
          exit(1);
      } 
  
      sleep(1);
      printf("In main2: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());
      return 0;
  }
  

• 【练习】：循环创建多个线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程。（类似于进程循环创建子进程）

• 拓展思考：将pthread_create函数参数4修改为(void *)&i，将线程主函数内改为i = *((int *)arg)是否可以？不可以。

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  
  void *thread_func(void *arg)
  {
      int i = (int)arg;
      sleep(i);
      printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u\n", i+1, pthread_self(), getpid());
      return NULL;
  }
  
  int main()
  {
      pthread_t tid;
      int ret, i;
  
      for (i = 0; i<5; i++){
          ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i);
          if(ret != 0){
              fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));
              exit(1);        }
      }   
  
      sleep(i);
      return 0;
  }
  

• 线程与共享

  • 线程间共享全局变量
  • 【牢记】：线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助mmap。

  • 【练习】：设计程序，验证线程之间共享全局数据。

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    
    int var = 100;
    
    void *tfn(void *arg)
    {
        var = 200;
        printf("thread\n");
        return NULL;
    }
    
    int main(void)
    {
        printf("At first var = %d\n", var);
    
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
        sleep(1);
    
        printf("After pthread_create, var = %d\n", var);
        return 0;
    }
    

pthread_exit函数

• 将单个线程退出。
• void pthread_exit(void *retval);
  • 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL。
• 思考：使用exit将指定线程退出，可以吗？
• 结论：线程中，禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出。
• 在不添加sleep控制输出顺序的情况下，pthread_create在循环中，几乎瞬间创建5个线程，但只有第1个线程有机会输出（或者第2个也有，也可能没有，取决于内核调度），如果第3个线程执行了exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。
• 所以，多线程环境中，应尽量少用，或者不使用exit函数，取而代之使用pthread_exit函数，将单个线程退出。任何线程里exit导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能return或exit。
• 另注意：pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。
• 【练习】：编写多线程程序，总结exit、return、pthread_exit各自退出效果。
  • return：返回到调用者那里去。
  • pthread_exit：将调用该函数的线程退出。
  • exit：将进程退出。

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  
  void *thread_func(void *arg)
  {
      int i = (int)arg;
      printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u\n", i+1, pthread_self(), getpid());
      return NULL;
  }
  
  int main()
  {
      pthread_t tid;
      int ret, i;
  
      for (i = 0; i<5; i++){
          ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i);
          if(ret != 0){
              fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));
              exit(1);
          }
      }                                                                                                 
  
      pthread_exit(NULL);
  }
  

pthread_join函数

• 阻塞等待线程退出，获取线程退出状态。其作用，对应进程中waitpid()函数。
• int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失败：错误号。
• 参数：thread：线程ID（【注意】不是指针）； retval：存储线程结束状态。
• 对比记忆：
  • 进程中：main返回值、exit参数-->int；等待子进程结束, wait函数参数-->int *
  • 线程中：线程主函数返回值、pthread_exit-->void *；等待线程结束 pthread_join函数参数-->void **

• 【练习】：参数retval非空用法。

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <pthread.h>
  
  typedef struct{
      int a;
      int b;
  } exit_t;
  
  void *tfn(void *arg)
  {
      exit_t * ret;
      ret = malloc(sizeof(exit_t));
  
      ret->a = 100;
      ret->b = 300;
  
      pthread_exit((void *)ret);
  }
  
  int main(void)
  {
      pthread_t tid;
      exit_t * retval;
  
      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
  
      //调用pthread_join可以获取线程的退出状态
      pthread_join(tid, (void **)&retval);
      printf("a = %d, b = %d\n", retval->a, retval->b);
  
      free(retval);
      return 0;
  }
  

• 调用该函数的线程将挂起等待，直到ID为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的，总结如下：

  • 1、如果不thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
  • 2、如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CALCELED。
  • 3、如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
  • 4、如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。

• 【练习】：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  
  int var = 100;
  
  void * tfn(void * arg)
  {
      int i;
      i = (int)arg;
  
      sleep(i);
      if(i == 1){
          var = 333;
          printf("var = %d\n", var);
          return var;
      } else if (i == 3)
      {
          var = 777;
          printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n  var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);
          pthread_exit((void *)var);
      } else {
          printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n  var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);
          pthread_exit((void *)var);
      }   
  
      return NULL;
  }
  
  int main(void)
  {
      pthread_t tid[5];
      int i;
      int *ret[5];
  
      for(i = 0; i < 5; i++)
          pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);
  
      for(i = 0; i < 5; i++){
          pthread_join(tid[i], (void **)&ret[i]);
          printf("-------%d 's ret = %d\n'", i, (int)ret[i]);
      }
  
      printf("I'm main pthread tid = %lu\t var = %d\n", pthread_self(), var);
  
      sleep(i);
      return 0;
  }
  

pthread_detach函数

• 实现线程分隔
• int pthread_detach(pthread_t thread);，成功：0；失败：错误号。
• 线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。网络、多线程服务器常用。
• 进程若有该机制，将不会产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要由于进程死后，大部分资源被释放，一点残留资源存于系统中，导致内核认为该进程仍存在。
• 也可以使用pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离。
• 【练习】：使用pthread_detach函数实现线程分离。

• 一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join获取它的状态为止。但是线程也可以被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的所有资源，而不保留终止状态。不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join，这样的调用将返回EINVAL错误。也就是说，如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <string.h>
  #include <pthread.h>
  
  void *tfn(void *arg)
  {
      int n = 3;
      while(n--){
          printf("thread count %d\n", n);
          sleep(1);
      }   
  
      return (void *)1;
  }
  
  int main(void)
  {
      pthread_t tid;
      void *tret;
      int err;
  
  #if 0
      //通过线程属性来设置游离态
      pthread_attr_t attr;
      pthread_attr_init(&attr);
      pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
      pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
  #else
      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
      //让线程分离-----自动退出，无系统残留资源
      pthread_detach(tid);
  #endif
  
      while(1){
          err = pthread_join(tid, &tret);
          printf("------------err = %d\n", err);
          if(err != 0)
              fprintf(stderr, "thread_join error : %s\n", strerror(err));
          else
              fprintf(stderr, "thread exit code %d\n", (int)tret);
      }
  }
  

pthread_cancel函数

• 杀死（取消）线程。其作用，对应进程中kill()函数。
• int pthread_cancel(pthread_t thread);，成功：0；失败：错误号。
• 【注意】：线程的取消并不是实时的，而有一定的延时。需要等待线程到达某个取消点（检查点）。
• 类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所（存档点，如：客栈、仓库、城里等）才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点。
• 取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用create、open、pause、close、read、write...执行命令man 7 pthreads可以查看具备这些取消点的系统调用列表。也可参阅APUE.12.7取消选项小节。
• 可粗略认为一个系统调用（进入内核）即为一个取消点。如线程中没有取消点，可以通过调用pthread_testcancel函数自行设置一个取消点。
• 被取消的线程，退出值定义在Linux的pthread库中。常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。可以头文件pthread.h中找到它的定义：#define PTHREAD_CANCELED((void *)-1)。因此当我们对一个已经被取消的线程使用pthread_join回收时，得到的返回值为-1。

• 【练习】：终止线程的三种方法。注意“取消点”的概念。

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <stdlib.h>
  
  void *tfn1(void *arg)
  {
      printf("thread 1 returning\n");
      return (void *)111;
  }
  
  void *tfn2(void *arg)
  {
      printf("thread 2 exiting\n");
      pthread_exit((void *)222);
  }
  
  void *tfn3(void *arg)
  {
      while(1){
          //printf("thread 3: I'm going to die in 3 seconds ... \n");
          //sleep(1);
          pthread_testcancel(); //自己添加取消点
      }   
  
      return (void *)666;
  }
  
  int main()
  {
      pthread_t tid;
      void *tret = NULL;
  
      pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);
      pthread_join(tid, &tret);
      printf("thread 1 exit code = %d\n\n", (int)tret);
  
      pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
      pthread_join(tid, &tret);
      printf("thread 2 exit code = %d\n\n", (int)tret);
  
      pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
      sleep(3);
      pthread_cancel(tid);
      pthread_join(tid, &tret);
      printf("thread 3 exit code = %d\n", (int)tret);
  }
  

pthread_equal函数

• 比较两个线程ID是否相等。
• int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
• 有可能Linux在未来线程ID pthread_t类型被修改为结构体实现。

控制原语对比

    进程              线程
    fork            pthread_create      创建
    exit            pthread_exit        退出
    wait            pthread_join        等待
    kill            pthread_cancel      杀死
    getpid          pthread_self        取得ID
                    pthread_detach      分离

线程属性

• 本节作为指引性介绍，Linux下线程的属性是可以根据实际项目需要进行设置，之前我们讨论的线程都是采用线程的默认属性，默认属性已经可以解决绝大多数开发时遇到的问题。如我们对程序的性能提出更高的要求，那么需要设置线程属性，比如可以通过设置线程栈的大小来降低内存的使用，增加最大线程个数。 typedef struct{ int etachstate; //线程的分离状态 int schedpolicy; //线程调度策略 struct sched_param schedparam; //线程的调度参数 int inheritsched; //线程的继承性 int scope; //线程的作用域 size_t guardsize; //线程栈末尾的警戒缓冲区大小 int stackaddr_set; //线程的栈设置 void* stackaddr; //线程的位置 size_t stacksize; //线程的大小 } pthread_attr_t;

• 主要结构体成员

  • 1、线程分离状态
  • 2、线程栈大小（默认平均分配）
  • 3、线程栈警戒缓冲区大小（位于栈末尾）
• 属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源。
• 线程属性主要包括如下属性：作用域（scope）、栈尺寸（stack size）、栈地址（stack address）、优先级（priority）、分离的状态（detached state）、调度策略和参数（scheduling policy and parameters）。默认的属性为非绑定、非分离、缺省的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

线程属性初始化

• 注意：应先初始化线程属性，再pthread_create创建线程。
• 初始化线程属性。
  • int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);，成功：0； 失败：错误号。
• 销毁线程属性所占用的资源。
  • int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);，成功：0；失败：错误号。

线程的分离状态

• 线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。
• 非分离状态：线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。
• 分离状态：分离线程没有被其他的线程等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。
• 线程分离状态的函数：
• 设置线程属性，分离or非分离。
  • int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
• 获取线程属性，分离or非分离
  • int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
  • 参数：
    • attr：已经初始化的线程属性
    • detachstate：
      • PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
      • PTHREAD_CREATE_JOINABLE（非分离线程）

• 这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timedwait函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决同步的问题。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  
  void *thread_func(void *arg)
  {
      pthread_exit((void *)11);
  }
  
  int main()
  {
      pthread_t tid;
      int ret;
      pthread_attr_t attr;
  
      ret = pthread_attr_init(&attr);
      if(ret != 0){
          fprintf(stderr, "pthread_attr_init error:%s\n", strerror(ret));
          exit(1);
      }   
  
      pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
  
      ret = pthread_create(&tid, &attr, thread_func, NULL);
      if(ret != 0){
          fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));
          exit(1);
      }   
  
      ret = pthread_join(tid, NULL);
      if(ret != 0){
          fprintf(stderr, "pthread_join error:%s\n", strerror(ret));
          exit(1);
      }   
  
      pthread_exit((void *)1);
      return 0;
  }
  

线程的栈地址

• POSIX.1 定义了两个常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE
• 检测系统是否支持栈属性。也可以给sysconf函数传递_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或_SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE来进行检测。
• 当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。通过pthread_attr_setstack和pthread_attr_getstack两个函数分别设置和获取线程的栈地址。
• int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize);
  • 成功：0；失败：错误号
• int pthread_attr_getstack(const pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize);
  • 成功：0；失败：错误号
• 参数
  • attr：指向一个线程属性的指针。
  • stackaddr：返回获取的栈地址。
  • stacksize：返回获取的栈大小。

线程的栈大小

• 当系统中有很多线程时，可能需要减小每个线程栈的默认大小，防止进程的地址空间不够用，当线程调用的函数会分配很大的局部变量或函数调用层次很深时，可能需要增大线程栈的默认大小。
• 函数pthread_attr_getstacksize和pthread_attr_setstacksize提供设置。
• int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
  • 成功：0；失败：错误号
• int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);
  • 成功：0；失败：错误号
• 参数
  • attr：指向一个线程属性的指针。
  • stacksize：返回线程的栈大小。

线程属性控制示例

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

#define SIZE 0X10000

void *th_fun(void *arg)
{
    while(1)
        sleep(1);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    int err, detachstate, i = 1;
    pthread_attr_t attr;
    size_t stacksize;
    void *stackaddr;

    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);
    pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);

    //默认是分离态
    if(detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED)
        printf("thread detached\n");
    //默认是非分离
    else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)
        printf("thread join\n");
    else
        printf("thread un known\n");

    //设置线程分离属性
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    while(1){
        //在堆上申请内存，指定线程栈的起始地址和大小
        stackaddr = malloc(SIZE);
        if(stackaddr == NULL){
            perror("malloc");
            exit(1);
        }
        stacksize = SIZE;
        //借助线程的属性，修改线程栈空间大小
        pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize);

        err = pthread_create(&tid, &attr, th_fun, NULL);
        if(err != 0){
            printf("%s\n", strerror(err));
            exit(1);
        }

        printf("%d\n", i++);
    }

    pthread_attr_destroy(&attr);
}

NPTL

• 1、察看当前pthread库版本getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
• 2、NPTL实现机制（POSIX），Native POSIX Thread Library
• 3、使用线程库时gcc指定-lpthread

线程使用注意事项

• 1、主线程退出其他线程不退出，主线程退出应调用pthread_exit
• 2、避免僵尸线程
  • pthread_join
  • pthread_detach
  • pthread_create，指定分离属性
  • 被join线程可能在join函数返回前就释放完自己的所有内存资源，所以不应当返回被回收线程栈中的值。
• 3、malloc和mmap申请的内存可以被其他线程释放。
• 4、应避免在多线程模型中调用fork，除非马上exec，子进程中只有调用fork的线程存在，其他线程在子进程中均pthread_exit。
• 5、信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程引入信号机制。

同步

• 所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等
• 而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步

• 同步即协同步调，按预定的先后次序运行。
• 线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。
• 举例1：银行存款5000。柜台，折：取3000；提款机，卡：取3000。剩余：2000
• 举例2：内存中100字节，线程T1欲填入全1，线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去CPU，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1两次获得CPU继续从失去CPU的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。
• 产生的现象叫做“与时间有关的错误”（time related）。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。
• “同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。
• 因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

数据混乱原因

• 1、资源共享（独享资源则不会）。
• 2、调度随机（意味着数据访问会出现竞争）。
• 3、线程间缺乏必要的同步机制。
• 以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。
• 所有只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。

互斥mutex

• Linux中提供一把互斥锁mutex(也称之为互斥量)。
• 每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。
• 资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。 
• 但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。
• 当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。
• 所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但并没有强制限定。
• 因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

主要应用函数

• 基本操作
  • pthread_mutex_init函数
  • pthread_mutex_destroy函数
  • pthread_mutex_lock函数
  • pthread_mutex_trylock函数
  • pthread_mutex_unlock函数
  • 以上5个函数的返回值都是：成功返回0，失败返回错误号。
  • pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。
  • pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。
• pthread_mutex_init函数
  • 初始化一个互斥锁（互斥量） --> 初值可看作1。
  • int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * restrict mutex, const pthread_mutexattr_t * restrict attr);
  • 参1：传出参数，调用时应传&mutex。
  • restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改。
  • 参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性（线程间共享）。参APUE.12.4同步属性
    • 静态初始化：如果互斥锁mutex是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g.pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    • 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g.pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
• pthread_mutex_destroy函数
  • 销毁一个互斥锁。
  • int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
• pthread_mutex_lock函数
  • 加锁。可理解为将mutex--（或1）
  • int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
• pthread_mutex_unlock函数
  • 解锁。可理解为将mutex++(或+1)
  • int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
• pthread_mutex_trylock函数
  • 尝试加锁。
  • int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

加锁与解锁

• lock与unlock
  • lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程锁为止。
  • unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。
  • 例如：T1、T2、T3、T4使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2、T3、T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。
  • 可假想mutex锁init成功初值为1。lock功能是将mutex--，unlock将mutex++。
• lock与trylock
  • lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。
  • trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

加锁步骤测试

• 看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  
  void *tfn(void *arg)
  {
      srand(time(NULL));
      while(1){
          printf("hello ");
          //模拟长时间操作共享资源，导致CPU易主，产生与时间有关的错误
          sleep(rand() % 3);
          printf("world\n");
          sleep(rand() % 3);
      }
  
      return NULL;
  }
  
  int main(void)
  {
      pthread_t tid;
      srand(time(NULL));
  
      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
      while(1){
          printf("HELLO ");
          sleep(rand() % 3);
          printf("WORLD\n");
          sleep(rand() % 3);
      }
  
      return 0;
  }
  

• 【练习】：修改该程序，使用mutex互斥锁进行同步。

  • 1、定义全局互斥锁，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destroy。
  • 2、两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock。
  • 3、将unlock挪至第二个sleep后，发现交替现象很难出现。
    • 线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。
    • 所以在这两行代码之间失去CPU的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。
  • 4、main中加flag=5将flag在while中--，这时，主线程输出5次后试图销毁锁，但子线程未将锁释放，无法完成。

  • 5、main中加pthread_cancel()将子线程取消。

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    
    //定义锁
    pthread_mutex_t mutex;
    
    void *tfn(void *arg)
    {
        srand(time(NULL));
        while(1){
            //加锁
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            printf("hello ");
            //模拟长时间操作共享资源，导致CPU易主，产生与时间有关的错误
            sleep(rand() % 3);
            printf("world\n");
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            sleep(rand() % 3);
            //添加检查点
            pthread_testcancel();
        }
    
        return NULL;
    }
    
    int main(void)
    {
        int flag = 5;
        pthread_t tid;
        srand(time(NULL));
    
        //锁初始化
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  //mutex = 1
    
        pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
        while(flag--){
            //加锁
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            printf("HELLO ");
            sleep(rand() % 3);
            printf("WORLD\n");
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            sleep(rand() % 3);
        }
        //取消子线程
        pthread_cancel(tid);
        pthread_join(tid, NULL);
        //锁销毁
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        return 0;
    }
    

• 结论：在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

死锁

• 1、线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
• 2、线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁。 
• 【作业】：编写程序，实现上述死锁现象。

读写锁

• 与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。

读写锁状态

• 1、读模式下加锁状态（读锁）。
• 2、写模式下加锁状态（写锁）。
• 3、不加锁状态。

读写锁特性

• 1、读写锁是“写模式加锁”时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
• 2、读写锁是“读模式加锁”时，如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
• 3、读写锁是“读模式加锁”时，既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高。
• 读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。
• 读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

主要应用函数

• 基本操作

  • pthread_rwlock_init函数
  • pthread_rwlock_destroy函数
  • pthread_rwlock_rdlock函数
  • pthread_rwlock_wrlock函数
  • pthread_rwlock_tryrdlock函数
  • pthread_rwlock_trywrlock函数
  • pthread_rwlock_unlock函数
  • 以上7个函数的返回值都是：成功返回0，失败直接返回错误号。
  • pthread_rwlock_t类型，用于定义一个读写锁变量。
  • pthread_rwlock_t rwlock;

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  
  int counter;
  pthread_rwlock_t rwlock;
  
  void *th_write(void *arg)
  {
      int t;
      int i = (int)arg;
  
      while(1){
          t = counter;
          usleep(1000);
  
          pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
          printf("======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
          pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
  
          usleep(5000);
      }   
  
      return NULL;
  }
  
  void *th_read(void *arg)
  {
      int i = (int)arg;
      while(1){
          pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
          printf("======read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
          pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
  
          usleep(900);
      }   
  
      return NULL;
  }
  
  //3个线程不定时写全局资源，5个线程不定时读同一全局资源
  int main()
  {
      int i;
      pthread_t tid[8];
      //初始读写锁
      pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
  
      for(i = 0; i < 3; i++)
          pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);
  
      for(i = 0; i < 5; i++)
          pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);
  
      for(i = 0; i < 8; i++)
          pthread_join(tid[i], NULL);
  
      //释放读写锁
      pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
      return 0;
  }
  

条件变量

• 条件变量本身不是锁！但它也可以造成阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

主要应用函数

• 基本操作

  • pthread_cond_init函数
  • pthread_cond_destroy函数
  • pthread_cond_wait函数
  • pthread_cond_timedwait函数
  • pthread_cond_signal函数
  • pthread_cond_broadcast函数
  • 以上6个函数的返回值都是：成功返回0，失败直接返回错误号。
  • pthread_cond_t类型，用于定义条件变量。
  • pthread_cond_t cond;

• pthread_cond_init函数

  • 初始化一个条件变量
  • int pthread_cond_init(pthread_cond_t * restrict cond, const pthread_condattr_t * restrict attr);
  • 参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可。
  • 也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZED;

• pthread_cond_destroy函数

  • 销毁一个条件变量
  • int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

• pthread_cond_wait函数

  • 阻塞等待一个条件变量
  • int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * restrict cond, pthread_mutex_t * restrict mutex);
  • 函数作用：
    • 1、阻塞等待条件变更cond（参1）满足
    • 2、释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
    • 1和2两步为同一个原子操作。
    • 3、当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

• pthread_cond_timedwait函数

  • 限时等待一个条件变量
  • int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t * restrict cond, pthread_mutex_t * restrict mutex, const struct timespec * restrict abstime);

  • 参3：参看man sem_timedwait函数，查看struct timespec结构体。

    struct timespec{
        time_t tv_sec;  /*seconds*/ 秒
        long tv_nsec;  /*nanoseconds*/ 纳秒
    };
    

  • 形参abstime：绝对时间。

    • 如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。

      struct timespec t = {1,0};
      pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &t);
      只能定时到1970年1月1日 00：00：01秒（早已经过去）
      

    • 正确用法：

      • time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
      • struct timespec t; 定义tiemspec结构体变量t
      • t.tv_sec = cur + 1; 定时1秒
      • pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &t); 传参

    • 在讲解setitimer函数时我们还提到另一种时间类型

      struct timeval{
          time_t tv_sec;  /*seconds*/ 秒
          suseconds_t tv_usec;  /*microseconds*/ 微秒
      };
      

• pthread_cond_signal函数

  • 唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程。
  • int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

• pthread_cond_broadcast函数

  • 唤醒全部阻塞在条件变量上的线程。
  • int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生产消费者条件变量模型

• 线程同步典型的案例即为生产消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。 

• 看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：

  /*借助条件变量模拟，生产者-消费者问题*/
  #include <stdlib.h>
  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  
  /*链表作为共享数据，需被互斥量保护*/
  struct msg {
      struct msg *next;
      int num;
  };
  
  struct msg *head;
  struct msg *mp;
  
  /*静态初始化一个条件变量和一个互斥量*/
  pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  
  void *consumer(void *p)
  {
      for(;;){
          pthread_mutex_lock(&lock);
          while(head == NULL){ //头指针为空，说明没有节点
              pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
          }
          mp = head;
          head = mp->next; //模拟消费掉一个产品
          pthread_mutex_unlock(&lock);
  
          printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
          free(mp);
          sleep(rand() % 5);
      }
  }
  
  void *producer(void *p)
  {
      for(;;){
          mp = malloc(sizeof(struct msg));
          //模拟生产一个产品
          mp->num = rand() % 1000 + 1;
          printf("-Produce ---%d\n", mp->num);
  
          pthread_mutex_lock(&lock);
          mp->next = head;
          head = mp;
          pthread_mutex_unlock(&lock);
          //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
          pthread_cond_signal(&has_product);
          sleep(rand() % 5);
      }
  }
  
  int main(int argc, char * argv)
  {
      pthread_t pid, cid;
      srand(time(NULL));
  
      pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
      pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
  
      pthread_join(pid, NULL);
      pthread_join(cid, NULL);
  
      return 0;
  }
  

条件变量的优点：

• 相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。
• 如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间竞争。提高了程序效率。

信号量

• 进化版的互斥锁（1-->N）。
• 由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。
• 信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

主要应用函数

• 函数列表
  • sem_init函数
  • sem_destroy函数
  • sem_wait函数
  • sem_post函数
  • sem_trywait函数
  • sem_timedwait函数
  • 以上6个函数的返回值都是：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno。（注意，它们没有pthread前缀）。
  • sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。
  • sem_t sem; 规定信号量sem不能<0。头文件<semaphore.h>
• 信号量基本操作：
  • sem_wait：
    • 1、信号量大于0，则信号量--。（类比pthread_mutex_lock）
    • 2、信号量等于0，造成线程阻塞
  • sem_post：
    • 将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程。（类比pthread_mutex_unlock）
  • 但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所有所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。
  • 信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。
• sem_init函数
  • 初始化一个信号量。
  • int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
  • 参1：sem信号量。
  • 参2：pshared取0用于线程间；取非0（一般为1）用于进程间。
  • 参3：value指定信号量初值。
• sem_destroy函数
  • 销毁一个信号量。
  • int sem_destroy(sem_t *sem);
• sem_wait函数
  • 给信号量加锁 --
  • int sem_wait(sem_t *sem);
• sem_post函数
  • 给信号量解锁 ++
  • int sem_post(sem_t *sem);
• sem_trywait函数
  • 尝试对信号量加锁 --。（与sem_wait的区别类比lock和trylock）
  • int sem_trywait(sem_t *sem);
• sem_timedwait函数
  • 限时尝试对信号量加锁--
  • int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
  • 参2：abs_timeout采用的是绝对时间。

生产者消费者信号量模型

• 【练习】：使用信号量完成线程间同步，模拟生产者，消费者问题。

  /*信号量实现生产者消费者问题*/
  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <semaphore.h>
  
  #define NUM 5
  
  int queue[NUM]; //全局数组实现环形队列
  sem_t blank_number, product_number; //空格子信号量，产品信号量
  
  void *producer(void *arg)
  {
      int i = 0;
      while(1) {
          sem_wait(&blank_number); //生产者将空格子数--，为0则阻塞等待
          queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生产一个产品
          printf("----Produce----%d\n", queue[i]);
          sem_post(&product_number); //将产品数++
  
          i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形
          sleep(rand() % 3);
      }
      return NULL;
  }
  
  void *consumer(void *arg)
  {
      int i = 0;
      while(1){
          sem_wait(&product_number); //消费者将产品数--，为0则阻塞等待
          printf("--Consume---%d\n", queue[i]);
          queue[i] = 0; //消费一个产品
          sem_post(&blank_number); //消费掉以后，将空格子数++
  
          i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形
          sleep(rand() % 3);
      }
      return NULL;
  }
  
  int main()
  {
      pthread_t pid, cid;
  
      sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信号量为5
      sem_init(&product_number, 0, 0); //产品数为0
  
      pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
      pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
  
      pthread_join(pid, NULL);
      pthread_join(cid, NULL);
  
      sem_destroy(&blank_number);
      sem_destroy(&product_number);
      return 0;
  }
  

• 分析

  • 规定
    • 如果队列中有数据，生产者不能生产，只能阻塞。
    • 如果队列中没有数据，消费者不能消费，只能等待数据。
  • 定义两个信号量：S满 = 0， S空 = 1（S满代表满格的信号量，S空表示空格的信号量，程序起始，格子一定为空）。

  • 所以有：

    T生产者主函数 ｛
        sem_wait(S空);
        生产...
        sem_post(S满)
    ｝
    
    T消费者主函数 ｛
        sem_wait(S满);
        消费...
        sem_post(S空)
    ｝
    

  • 假设：线程到达的顺序是：T生、T生、T消。
  • 那么：
    • T生1到达，将S空-1，生产，将S满+1
    • T生2到达，S空已经为0，阻塞
    • T消到达，将S满-1，消费，将S空+1
  • 三个线程到达的顺序是：T生1、T生2、T消。而执行的顺序是T生1、T消、T生2
  • 这里，【S空】表示空格子的总数，代表可占用信号量的线程总数-->1。其实这样的话，信号量就等同于互斥锁。
  • 但，如果S空=2、3、4……就不一样了，该信号量同时可以由多个线程占用，不再是互斥的形状。因此我们说信号量是互斥锁的加强版。
  • 【推演练习】：理解上述模型，推演，如果是两个消费者，一个生产者，是怎么样的情况。
  • 【作业】：结合生产者消费者信号量模型，揣摩sem_timedwait函数作用。编程实现，一个线程读用户输入，另一个线程打印“hello world”。如果用户无输入，则每隔5秒向屏幕打印一个“hello world”；如果用户有输入，立刻打印“hello world”到屏幕。

进程间同步

• 进程间也可以使用互斥锁，来达到同步的目的。但应在pthread_mutex_init初始化之前，修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个。

互斥量mutex

• 主要应用函数
  • pthread_mutexattr_t mattr类型：用于定义mutex锁的【属性】。
  • pthread_mutexattr_init函数：初始化一个mutex属性对象。
    • int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
  • pthread_mutexattr_destroy函数：销毁mutex属性对象（而非销毁锁）。
    • int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
  • pthread_mutexattr_setpshared函数：修改mutex属性。
    • int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);
    • 参2：pshared取值
      • 线程锁：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE(mutex的默认属性即为线程锁，进程间私有)
      • 进程锁：PTHREAD_PROCESS_SHARED

• 进程间mutex示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <string.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <pthread.h>
  #include <sys/mman.h>
  #include <sys/wait.h>
  
  struct mt {
      int num;
      pthread_mutex_t mutex;
      pthread_mutexattr_t mutexattr;
  };
  
  int main()
  {
      int i;
      struct mt *mm;
      pid_t pid;
  
      mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
      memset(mm, 0, sizeof(*mm));
  
      pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr); //初始化mutex属性对象
      pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED); //修改属性为进程间共享
  
      pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr); //初始化一把mutex锁
  
      pid = fork();
      if(pid == 0){
          for(i = 0; i < 10; i++){
              pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
              (mm->num)++;
              printf("-Child------------num++   %d\n", mm->num);
              pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
              sleep(1);
          }
      } else if(pid > 0){
          for(i = 0; i < 10; i++){
              sleep(1);
              pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
              mm->num+=2;
              printf("-------parent-----num+=2  %d\n", mm->num);
              pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
          }
          wait(NULL);
      }
  
      pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr); //销毁mutex属性对象
      pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //销毁mutex
      munmap(mm,sizeof(*mm)); //释放映射区
      return 0;
  }
  

文件锁

• 借助fcntl函数来实现锁机制。操作文件的进程没有获得锁时，可以打开，但无法执行read、write操作。
• fcntl函数：获取、设置文件访问控制属性。

• int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

  • 参2：
    • F_SETLK(struct flock *)，设置文件锁（trylock）。
    • F_SETLKW(struct flock *)，设置文件锁（lock）W --> wait
    • F_GETLK(struct flock *)，获取文件锁

  • 参3：

    struct flock {
       ...
       short l_type;    /* 锁的类型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
       short l_whence;  /* 偏移位置: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
       off_t l_start;   /* 起始偏移：1000*/
       off_t l_len;     /* 长度：0表示整个文件加锁 */
       pid_t l_pid;     /* 持有该锁的进程ID：F_GETLK, F_OFD_GETLK */
       ...
    };
    

• 进程间文件锁示例

  #include <stdio.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <unistd.h>
  #include <stdlib.h>
  
  void sys_err(char *str){
      perror(str);
      exit(1);
  }
  
  int main(int argc, char *argv[])
  {
      int fd;
      struct flock f_lock;
  
      if(argc < 2){
          printf("./a.out filename\n");
          exit(1);
      }
  
      if((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)
          sys_err("open");
  
      f_lock.l_type = F_WRLCK; //选用写锁
      //f_lock.l_type = F_RDLCK; //选用读锁
  
      f_lock.l_whence = SEEK_SET;
      f_lock.l_start = 0;
      f_lock.l_len = 0; //0表示整个文件加锁
  
      fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
      printf("get flock\n");
  
      sleep(10);
  
      f_lock.l_type = F_UNLCK;
      fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
      printf("un flock\n");
  
      close(fd);
      return 0;
  }
  

  • 依然遵循”读共享、写独占“特性。但！如若进程不加锁直接操作文件，依然可访问成功，但数据势必出现混乱。
  • 【思考】：多线程中，可以使用文件锁吗？
    • 多线程间共享文件夹描述符，而给文件加锁，是通过修改文件描述符所指向的文件结构体中的成员变量来实现的。因此，多线程中无法使用文件锁。

哲学家用餐模型分析

多线程版

• 选用互斥锁mutex，如创建5个，pthread_mutex_t m[5];

• 模型抽象：

  • 5个哲学家 --> 5个线程； 5支筷子 --> 5把互斥锁； int left（左手）， right（右手）。
  • 5个哲学家使用相同的逻辑，可通用一个线程主函数，void *tfn(void *arg)，使用参数来表示线程编号：int i = (int)arg;
  • 哲学家线程根据编号知道自己第几个哲学家，而后选定锁，锁住，吃饭。否则哲学家thinking。

  • 5支筷子，在逻辑上形成环，分别对应5个哲学家。

        A       B       C       D       E
    0       1       2       3       4
    

    

  • 所以有：

    if(i == 4)
        left = i, right = 0;
    else
        left = i, right = i + 1;
    

  • 振荡：如果每个人都攥着自己左手的锁，尝试去拿右手锁，拿不到则将锁释放。过会儿五个人又同时再攥着左手锁尝试拿右手锁，依然拿不到。如此往复形成另外一种极端死锁的现象--振荡。

  • 避免振荡现象：只需5个人中，任意一个人，拿锁的方向与其他人相逆即可（如：E，原来：左：4，右：0；现在：左：0，右：4）。

  • 所以以上if else语句应改为

    if(i == 4)
        left = 0, right = i;
    else
        left = i, right = i + 1;
    

  • 而后，首先让哲学家尝试加左手锁：

    while(1){
        pthread_mutex_lock(&m[left]); 如果加锁成功，函数返回再加右手锁，如果失败，应立即释放左手锁，等待。
        若左右手都加锁成功 --> 吃 --> 吃完 --> 释放锁（应先释放右手、再释放左手，是加锁顺序的逆序）
    }
    

  • 主线程（main）中，初始化5把锁，销毁5把锁，创建5个线程（并将i传递给线程主函数），回收5个线程。

  • 避免死锁的方法
    • 1、当得不到所有所需资源时，放弃已经获得的资源，等待。
    • 2、保证资源的获取顺序，要求每个线程获取资源的顺序一致。如：A获取顺序1、2、3；B顺序应也是1、2、3。若B为3、2、1则易出现死锁现象。

多进程版

• 相较于多线程需注意问题：
  • 需注意如何共享信号量（注意：坚决不能使用全局变量sem_t s[5]）

• 实现：

  • main函数中：
    • 循环sem_init(&s[i], 0, 1); 将信号量初始值设为1，信号量变为互斥锁。
    • 循环sem_destroy(&s[i]);
    • 循环创建5个进程。if(i<5)中完成子进程的代码逻辑。
    • 循环回收5个子进程。

  • 子进程中：

    if(i == 4)
        left = 0, right = 4;
    else
        left = i, right = i + 1;
    
    while(1){
        使用sem_wait(&s[left])锁左手，尝试锁右手，若成功 --> 吃；若不成功 --> 将左手锁释放。
        吃完后，先释放右手锁，再释放左手锁。
    }
    

  • 【重点注意】

    • 直接将sem_t s[5]放在全局位置，试图用于子进程间共享是错误的！应将其定义放置与mmap共享映射区中。
    • main中：
      • sem_t s = mmap(NULL, sizeof(sem_t)5, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
      • 使用方式：将s当成数组首地址看待，与使用数组s[5]没有差异。