linux-多线程

2023-12-22 15:35:51

一、什么是线程？

      线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立执行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，仅仅拥有一点在执行中不可缺少的资源(如程序计数器，一组寄存器和栈)，可是它可与同属一个进程的其它的线程共享进程所拥有的所有资源。

二、什么时候使用多线程？

     当多个任务能够并行运行时，能够为每一个任务启动一个线程。

三、线程的创建

     使用pthread_create函数。
    
#include<pthread.h>
int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新创建的线程ID
			   __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//线程属性
			   void *(*__start_routine) (void *),//新创建的线程从start_routine開始运行
			   void *__restrict __arg)//运行函数的參数
返回值：成功-0，失败-返回错误编号，能够用strerror(errno)函数得到错误信息

四、线程的终止

   三种方式
  • 线程从运行函数返回，返回值是线程的退出码
  • 线程被同一进程的其它线程取消
  • 调用pthread_exit()函数退出。这里不是调用exit，由于线程调用exit函数，会导致线程所在的进程退出。

一个小样例：

启动两个线程，一个线程对全局变量num运行加1操作，运行五百次，一个线程对全局变量运行减1操作，相同运行五百次。

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

int num=0;
void *add(void *arg) {//线程运行函数，运行500次加法
    int i = 0,tmp;
    for (; i <500; i++)
    {
        tmp=num+1;
        num=tmp;
        printf("add+1,result is:%d\n",num);
    }
    return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)//线程运行函数，运行500次减法
{
    int i=0,tmp;
    for(;i<500;i++)
    {
        tmp=num-1;
        num=tmp;
        printf("sub-1,result is:%d\n",num);
    }
    return ((void *)0);
}
int main(int argc, char** argv) {
    
    pthread_t tid1,tid2;
    int err;
    void *tret;
    err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//创建线程
    if(err!=0)
    {
        printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
        exit(-1);
    }
    err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);
    if(err!=0)
    {
        printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
         exit(-1);
    }
    err=pthread_join(tid1,&tret);//堵塞等待线程id为tid1的线程，直到该线程退出
    if(err!=0)
    {
        printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
        exit(-1);
    }
    printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);
    err=pthread_join(tid2,&tret);
    if(err!=0)
    {
        printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
        exit(-1);
    }
    printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);
    return 0;
}
使用g++编译该文件（g++ main.cpp -o main)。此时会报错undefined reference to `pthread_create‘。

linux-多线程

报这个错误的原因是：pthread库不是linux默认的库，所以在编译时候须要指明libpthread.a库。

解决方法：在编译时，加上-lpthread參数。

运行结果：

linux-多线程

乍一看，结果是对的，加500次，减500次，最后结果为0。可是细致看全部的输出，你会发现有异样的东西。

linux-多线程

    导致这个不和谐出现的原因是，两个线程能够对同一变量进行改动。假如线程1运行tmp=50+1后，被系统中断，此时线程2对num=50运行了减一操作，当线程1恢复，在运行num=tmp=51。而正确结果应为50。所以当多个线程对共享区域进行改动时，应该採用同步的方式。

五、线程同步

线程同步的三种方式：

1、相互排斥量

   相互排斥量用pthread_mutex_t数据类型来表示。
    两种方式初始化，第一种：赋值为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；另外一种，当相互排斥量为动态分配是，使用pthread_mutex_init函数进行初始化，使用pthread_mutex_destroy函数销毁。
  
#include<pthread.h>
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,
			       __const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);
返回值：成功-0，失败-错误编号
 加解锁
加锁调用pthread_mutex_lock,解锁调用pthread_mutex_unlock。
#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex)；
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex)；

使用相互排斥量改动上一个程序（改动部分用红色标出）：
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *add(void *arg) {
    int i = 0,tmp;
    for (; i <500; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mylock);
        tmp=num+1;
        num=tmp;
        printf("+1,result is:%d\n",num);
        pthread_mutex_unlock(&mylock);
    }
    return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)
{
    int i=0,tmp;
    for(;i<500;i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mylock);
        tmp=num-1;
        num=tmp;
        printf("-1,result is:%d\n",num);
        pthread_mutex_unlock(&mylock);
    }
    return ((void *)0);
}

2、读写锁

   同意多个线程同一时候读，仅仅能有一个线程同一时候写。适用于读的次数远大于写的情况。
  读写锁初始化：
  
#include<pthread.h>
int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,
				__const pthread_rwlockattr_t *__restrict
				__attr);
int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);
返回值：成功--0，失败-错误编号

 加锁，这里分为读加锁和写加锁。

读加锁：
  
int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

写加锁：
 
int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

解锁用同一个函数：
int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

3、条件变量

条件变量用pthread_cond_t数据类型表示。
条件变量本身由相互排斥量保护，所以在改变条件状态前必须锁住相互排斥量。

条件变量初始化：

第一种，赋值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER；另外一种，使用pthread_cond_init函数
int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,
			      __const pthread_condattr_t *__restrict
			      __cond_attr);
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);

条件等待

使用pthread_cond_wait等待条件为真。
 pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,
			      pthread_mutex_t *__restrict __mutex)
这里须要注意的是，调用pthread_cond_wait传递的相互排斥量已锁定，pthread_cond_wait将调用线程放入等待条件的线程列表，然后释放相互排斥量，在pthread_cond_wait返回时，再次锁定相互排斥量。

唤醒线程

pthread_cond_signal唤醒等待该条件的某个线程，pthread_cond_broadcast唤醒等待该条件的全部线程。
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);

int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)

来一个样例，主线程启动4个线程，每一个线程有一个參数i（i=生成顺序），不管线程的启动顺序怎样，运行顺序仅仅能为，线程0、线程1、线程2、线程3。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define DEBUG 1

int num=0;
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void * thread_func(void *arg)
{
    int i=(int)arg; 
    int ret;
    sleep(5-i);//线程睡眠,然最先生成的线程，最后苏醒
    pthread_mutex_lock(&mylock);//调用pthread_cond_wait前，必须获得相互排斥锁
    while(i!=num)
    {
#ifdef DEBUG
        printf("thread %d waiting\n",i);
#endif
        ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//该函数把线程放入等待条件的线程列表，然后对相互排斥锁进行解锁，这两部都是原子操作。而且在pthread_cond_wait返回时，相互排斥量再次锁住。
        if(ret==0)
        {
#ifdef DEBUG
            printf("thread %d wait success\n",i);
#endif
        }else
        {
#ifdef DEBUG
            printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));
#endif
        }
    }
    printf("thread %d is running \n",i);
    num++;
    pthread_mutex_unlock(&mylock);//解锁
    pthread_cond_broadcast(&qready);//唤醒等待该条件的全部线程
    return (void *)0;
}
int main(int argc, char** argv) {
    
    int i=0,err;
    pthread_t tid[4];
    void *tret;
    for(;i<4;i++)
    {
        err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);
        if(err!=0)
        {
            printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));
            exit(-1);
        }
    }
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        err = pthread_join(tid[i], &tret);
        if (err != 0)
        {
            printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));
            exit(-1);
        }
    }
    return 0;
}

在非DEBUG模式，运行结果如图所看到的：
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在DEBUG模式，运行结果如图所看到的:
linux-多线程
在DEBUG模式能够看出，线程3先被唤醒，然后运行pthread_cond_wait（输出thread 3 waiting)，此时在pthread_cond_wait中先解锁相互排斥量，然后进入等待状态。这是thread 2加锁相互排斥量成功，进入pthread_cond_wait(输出thread 2 waiting） ,相同解锁相互排斥量，然后进入等待状态。直到线程0，全局变量与线程參数i一致，满足条件，不进入条件等待，输出thread 0 is running。全局变量num运行加1操作，解锁相互排斥量，然后唤醒全部等待该条件的线程。thread 3 被唤醒，输出thread 3 wait success。可是不满足条件，再次运行pthread_cond_wait。如此运行下去，满足条件的线程运行，不满足条件的线程等待。


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