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多线程编制程序,Linux根基第七章

来源:http://www.ogcoffee123.com 作者:操作系统 人气:74 发布时间:2019-12-01
摘要:7.11 线程取消 取消线程也结束线程,但是应该避免这种设计。 退出点函数: man pthreads 搜索cancel关键字,找到这些退出点函数。 pthread_cancel在线程外部(其他线程)来退出另外一个线程

7.11 线程取消

取消线程也结束线程,但是应该避免这种设计。

退出点函数:man pthreads搜索cancel关键字,找到这些退出点函数。

pthread_cancel在线程外部(其他线程)来退出另外一个线程A,当线程A调用了cancelpoint函数时,会退出。

如果希望调用cancelpoint函数不退出,应该设置当前的线程状态为:不理会线程退出(cancelability disabled)
pthread_setcancelstate(...)

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

void* thread_func(void* ptr)
{
    // 因为这个线程没有cancel point
    while(1)
    {
        // 关闭cancel检测
        pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);

        sleep(10);

        // 打开cancel检测
        pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);

        // 检查cancel point
        pthread_testcancel(); 
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);

    // 让线程退出
    pthread_cancel(tid);

    // 等待线程退出
    pthread_join(tid, NULL);
}

 

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

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。

图片 1

  • 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

图片 2

  • 对于进程来说,相同的地址在不同的进程中,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。

7.7.3 条件变量

条件变量是另外一种同步机制,它可以使线程在无竞争的等待条件发生。在之前讲到的线程场景里,子线程往往要等到队列有数据才运行,否则它应该休眠,以避免浪费CPU。但是如果用锁来实现这种机制的话,会非常麻烦。

定义:pthread_cond_t g_cond;
初始化:pthread_cond_init(&g_cond);
等待:pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
唤醒:pthread_cond_signal(&g_cond);
pthread_cond_broadcast(&g_cond);
惊群

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

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

void* thread_func(void* ptr)
{
    sleep(1);

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    printf("wait okn");
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);

    // 发信号时,线程不是正在调用pthread_cond_wait,而是在执行sleep(1),所以signal发送之后,就消失了,不会保留
    // 按照刚才的说法,这个signal根本无效
    // 所以当一个线程发送多次的signal时,那么最多只有一次是有作用的
    pthread_cond_signal(&cond);

    pthread_join(tid, NULL);

}

 

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

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 0X10000void *th_fun(void *arg){    while        sleep;}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 detachedn");    //默认是非分离    else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)        printf("thread joinn");    else        printf("thread un knownn");    //设置线程分离属性    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);    while{        //在堆上申请内存,指定线程栈的起始地址和大小        stackaddr = malloc;        if(stackaddr == NULL){            perror("malloc");            exit;        }        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{            printf("%sn", strerror;            exit;        }        printf("%dn", i++);    }    pthread_attr_destroy(&attr);}

 线程标识

线程使用pthread_t来标识线程,它也是一个非负整数,由系统分配,保证在进程范围内唯一。pthread_t虽然在Linux下是非负整数,但是在其它平台下不一定是,所以比较线程号是否想等,应该用pthread_equal

任何一个函数都可以调用pthread_self来获取目前代码运行的线程。

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

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。
      • F_SETLKW(struct flock *),设置文件锁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;      exit;  }  int main(int argc, char *argv[])  {      int fd;      struct flock f_lock;      if(argc < 2){          printf("./a.out filenamen");          exit;      }      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 flockn");      sleep;      f_lock.l_type = F_UNLCK;      fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);      printf("un flockn");      close;      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。
    • :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

 C++使用构造函数和析构函数自动加锁解锁

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

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。

 客户端使用场景

一般来说,线程用于比较复杂的多任务场景,比如:

 图片 3

这样主线程可以基础处理主线程的事情,不至于被复杂的任务阻塞。比如:

 

图片 4

这样聊天界面不会卡死在那里,否则如果网络情况很差,有可能导致界面卡死。

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);

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, right。
    • 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 = 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
      

      图片 5

    • 所以有:

        if      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      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{      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。

7.9 分离的线程

分离的线程不用pthread_join,也无法通过pthread_join来获取结果。因为它运行结束之后,它的PCB同时被释放了。

#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <inttypes.h>

// intptr_t 整数类型:char short int long (long long)
//     整数:8 16 32 64
//     有些机器的int是32位,有的机器是64位
//     void*指针类型都是按照机器的字长决定
//
//     intptr_t是一个整数,并且它总是和指针的字节数是一样的

void* thread_func(void* ptr)
{
    // 用的是地址本身,而不是地址指向的值
    printf("%dn", (int)(intptr_t)ptr);
    sleep(1);
}

int foo()
{
    char p[] = "hello world";
    int a = 100;

    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, &attr, thread_func, (void*)(intptr_t)a);

    // 该线程自生自灭
    // pthread_detach(tid);

    int ret = pthread_join(tid, NULL);
    printf("join error, ret=%d, errno=%d, EINVAL=%dn", ret, errno, EINVAL);
}

int main()
{
    foo();
    sleep(2);
}

 

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

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来设置线程分离。
  • :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{          printf("thread count %dn", n);           sleep;      }         return 1;  }  int main  {      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;  #endif      while{          err = pthread_join(tid, &tret);          printf("------------err = %dn", err);          if              fprintf(stderr, "thread_join error : %sn", strerror;          else              fprintf(stderr, "thread exit code %dn", ;      }     }
    

线程的回收

线程退出之后,它的PCB依旧在内核中存在,等着其它线程来获取它的运行结果,可以通过pthread_join来回收线程。从这个角度看,线程和进程差不多,但是跟进程不同的时,线程没有父线程的概念,同一个进程内的其它线程都可以来回收它的运行结果。

pthread_join会阻塞调用它的线程,一直到被join的线程结束为止。

pthread_joinwait/waitpid一样,也是阻塞的调用,它除了有回收PCB的功能,也有等待线程结束的功能。

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

线程概念

7.7.2.2 循环锁

解决重复加锁导致死锁问题,循环锁的特点是,同一个线程进行多次加锁,不会阻塞。
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_mutex_lock(&mutex); // 第二次加锁不会阻塞,但是它会给mutex增加一个计数。
pthread_mutex_unlock(&mutex) // 减少计数
pthread_mutex_unlock(&mutex);//减少到0的时候,真正解锁

怎么设置循环锁。

     pthread_mutexattr_t attr;

     // 设置成循环锁属性

     pthread_mutexattr_init(&attr);

     pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

 

     // 此时mutex是一个循环锁

     pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

 

//头文件
#ifndef __AUTO_LOCK_H__
#define __AUTO_LOCK_H__

#include <pthread.h>

class auto_lock
{
public:
auto_lock(pthread_mutex_t& m);
~auto_lock();
private:
pthread_mutex_t& mutex;
};

#endif

//头文件的实现

#include "auto_lock.h"

auto_lock::auto_lock(pthread_mutex_t& m): mutex(m)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
}

auto_lock::~auto_lock()
{
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

//主函数
#include <stdio.h>
#include "auto_lock.h"

pthread_mutex_t mutex;
int result = 0;

void* thread_func(void*ptr)
{
    for(int i=0 ;i<100000; ++i)
    {
        auto_lock var1(mutex); // 重复加锁
        auto_lock var(mutex); // 在构造里自动加锁
        result++;
    }
}

int main()
{
    // 变成递归锁
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE); 

    // 用递归属性去初始化这个锁
    pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    printf("result is %dn", result);
}

 

摘要

pthread_self函数

  • 获取线程ID。其作用对应进程中getpid()函数。
  • pthread_t pthread_self; - 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,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。

7.8 重入

如果函数操作了全局变量,这个函数就不是可重入的函数了。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
int result = 0;
void foo()
{
    // 因为这个函数操作了全局变量
    result ++;
}

void* thread_func(void* ptr)
{
#if 0
    int i;
    for(i=0; i<10000; ++i)
    {
        // 该函数是不可重入的函数
        // 用锁来保护它
        foo();
    }
#endif

    char p[] = "1 2 3 4 5 6 7 8 9 0";

    char* saveptr;
    char* sub = strtok_r(p, " ", &saveptr);
    while(sub)
    {
        usleep(1000); // 1毫秒        
        printf("%s, tid=%dn", sub, (int)pthread_self());
        sub = strtok_r(NULL, " ", &saveptr);
    }

}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    printf("result=%dn", result);
}

 

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

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。

  • 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。

  • 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。
    图片 6
  • 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”,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 --> 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。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--
    • int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
  • pthread_mutex_unlock函数
    • 解锁。可理解为将mutex++
    • 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);

7.7.2.1 基本锁

类型:pthread_mutex_t
定义的变量一般在全局:pthread_mutex_t g_mutex;
在使用之前要初始化:pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);
访问敏感对象前加锁:pthread_mutex_lock(&g_mutex);
访问结束要解锁:pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

一把所可以负责多个全局变量的安全问题,但是负责的范围越大,效率越低,代码相对容易写。负责全局变量的数量,被称之为锁的粒度。

死锁问题

  1. 忘了解锁会产生死锁

  2. 重复加锁会导致死锁

怎么解决死锁问题:

  1. 忘了解锁:程序员自己要注意

  2. 重复加锁:使用循环锁可以解决问题

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)

7.7.2 锁(临界量)

锁能避免两个线程同时访问一个全局变量。
锁会带来两个问题:

  • 效率低

  • 死锁

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    
    int result = 0;
    // 定义锁,锁一般也定义在全局
    //pthread_mutex_t mutex;  // 粗粒度的锁
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    
    int result1 = 0;
    pthread_mutex_t mutex1;
    
    // 1.一个线程重复加锁两次,会死锁
    void func()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
    
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    void foo()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        func();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    // 2. 一个线程加锁之后,忘记了解锁
    void foo1()
    {
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(...) // 这种场合容易产生忘记解锁
            return;
        // ....
        // 忘记了解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    void foo2()
    {
        // 因为别的线程忘记解锁,所以本线程无法进行加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 阻塞在这里
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    void* thread_func(void* ptr)
    {
        foo();
    
        int i=0;
        for(i=0; i<100000; ++i)
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex1);
            result1++;//它的值由什么决定
            pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    
            // 两个线程同时操作全局变量,结果不可靠
            //
            // 将该操作变成原子操作,或者至少不应该被能影响它操作的人打断
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            result ++;  // result++代码被锁保护了,不会被其他线程的result++影响
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        return NULL;
    }
    
    int main()
    {
        // 使用锁之前,要对它进行初始化
    //    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
    
        pthread_t t1, t2;
        pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);
        pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);
    
        pthread_join(t1, NULL);
        pthread_join(t2, NULL);
    
        printf("result is %dn", result);
    }
    
    #include <stdio.h>
    #include <list>
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    struct task_t
    {
        int task;
    };
    
    // 全局的任务队列
    list<task_t*> tasks;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    
    // pthred_cond_signal和pthread_cond_wait类似不可靠信号,signal不会累计
    // 当一个线程发送signal时,如果另外一个线程此时没有调用wait函数,那么这个signal就会消失掉

    void* work_thread(void* ptr)
    {
        while(1)
        {
            // 等待条件
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);

            // 一旦条件满足,就应该处理队列中所有的任务
            while(1)
            {
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                if(tasks.size() == 0) 
                {
                    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 特别容易忘记解锁
                    break;
                }
                task_t* task = *tasks.begin();
                tasks.pop_front();
                pthread_mutex_unlock(&mutex);

                // 处理任务
                printf("current task is %dn", task->task);

                // new和delete(malloc和free)都是线程安全的
                delete task;
            }
        }
    }

    int main()
    {
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_cond_init(&cond, NULL);

        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, work_thread, NULL);

        while(1)
        {
            int i;
            // 阻塞的,等待任务
            cin >> i;

            // 构造任务结构体
            task_t* task = new task_t;
            task->task = i;

            // 把任务丢到任务列表中
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            tasks.push_back(task);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);

            // 唤醒条件变量
            pthread_cond_signal(&cond);
        }
    }

    //运用析构函数

    #ifndef __AUTO_LOCK_H__
    #define __AUTO_LOCK_H__

    #include <pthread.h>

    class auto_lock
    {
    public:
        auto_lock(pthread_mutex_t& m);
        ~auto_lock();
    private:
        pthread_mutex_t& mutex;
    };

    #endif



    #include "auto_lock.h"

    auto_lock::auto_lock(pthread_mutex_t& m): mutex(m)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
    }

    auto_lock::~auto_lock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }



    #include <stdio.h>
    #include "auto_lock.h"

    pthread_mutex_t mutex;
    int result = 0;

    void* thread_func(void*ptr)
    {
        for(int i=0 ;i<100000; ++i)
        {
            auto_lock var1(mutex); // 重复加锁
            auto_lock var(mutex); // 在构造里自动加锁
            result++;
        }
    }

    int main()
    {
        // 变成递归锁   及循环锁  
        pthread_mutexattr_t attr;//设计循环锁属性
        pthread_mutexattr_init(&attr);
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE); 

        // 用递归属性去初始化这个锁
        pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

        pthread_t tid1, tid2;
        pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);

        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);

        printf("result is %dn", result);
    }

 

相对的解决方法:

  • 读写锁

  • #include

    pthread_rwlock_t mutex;
    int result;
    
    void* thread_func(void* ptr)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&mutex);
        // 只能对数据读
        result ++; // 写数据的行为是会导致数据不正确
        pthread_rwlock_unlock(&mutex);
    
        pthread_rwlock_wrlock(&mutex);
        // 可以对数据读写
        pthread_rwlock_unlock(&mutex);
    }
    
    int main()
    {
    
        pthread_rwlock_init(&mutex, NULL);
    
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    }
    

     

  • 循环锁

pthread_cancel函数

  • 杀死线程。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。
  • :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。
  • 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-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。
  • :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 returningn");      return 111;  }  void *tfn2(void *arg)  {      printf("thread 2 exitingn");      pthread_exit222);  }  void *tfn3(void *arg)  {      while{          //printf("thread 3: I'm going to die in 3 seconds ... n");          //sleep;          pthread_testcancel(); //自己添加取消点      }         return 666;  }  int main()  {      pthread_t tid;      void *tret = NULL;      pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);      pthread_join(tid, &tret);      printf("thread 1 exit code = %dnn", ;      pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);      pthread_join(tid, &tret);      printf("thread 2 exit code = %dnn", ;      pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);      sleep;      pthread_cancel;      pthread_join(tid, &tret);      printf("thread 3 exit code = %dn", ;  }
    

7.7.3.1 条件变量的等待和唤醒

如果没有线程在等待条件,此时唤醒函数pthread_cond_signal不会唤醒任何的线程,也不会记录。

如果有多个线程在执行pthread_cond_wait,而此时有一个线程调用pthread_cond_signal,那么只会唤醒其中一个线程。

如果想唤醒所有线程,那么调用pthread_cond_broadcast,该函数可以唤醒等待该条件的所有线程。

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

// 假如有三个线程同时调用pthread_cond_wait,一个线程调用pthread_cond_signal
//
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

void* thread_func(void* ptr)
{

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    printf("wait okn");
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, thread_func, NULL);

    sleep(1);
    // 唤醒一个线程
//    pthread_cond_signal(&cond);
//    唤醒所有正在等待的线程
    pthread_cond_broadcast(&cond);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);

}

 

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。

7.7.4 信号量

信号量类似条件变量,但是信号量可以保存信号数量。

  • 定义: sem_t sem;

  • 初始化:sem_init(&sem, 0, 0);
    初始化的第二个参数,如果是0表示同一进程内的多线程之间的信号量,如果是非0,那么该信号量可以使用在进程之间。第三个参数表示信号量的初始值。

  • 等待:sem_wait(&sem);
    sem_wait函数会导致该线程休眠,唤醒的条件是sem的值大于0。并且sem_wait调用结束后,会自动将sem值减1。

  • 唤醒:sem_post(&sem);
    sem_post只是简单的将sem值+1

    #include <stdio.h>
    #include <semaphore.h>
    #include <pthread.h>
    
    sem_t sem;
    
    void* thread_func(void* ptr)
    {
        sleep(1);
        sem_wait(&sem);
        printf("wait okn");
    }
    
    int main()
    {
        sem_init(&sem, 0, 0);
    
        pthread_t tid1, tid2, tid3;
        pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);
        pthread_create(&tid3, NULL, thread_func, NULL);
    
        // 发送信号
        sem_post(&sem);
    
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
        pthread_join(tid3, NULL);
    }
    

     

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 *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,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。
  • :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打印错误信息,可以先用strerror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 = %un", pthread_self(), getpid;      return NULL;  }  int main()  {      pthread_t tid;      int ret;      printf("In main1: thread id = %lu, pid = %un", pthread_self(), getpid;      ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);      if{          fprintf(stderr, "pthread_create error:%sn", strerror;          exit;      }       sleep;      printf("In main2: thread id = %lu, pid = %un", pthread_self(), getpid;      return 0;  }
    
  • :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&i,将线程主函数内改为i = *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 = arg;      sleep;      printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %un", 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, ;          if{               fprintf(stderr, "pthread_create error:%sn", strerror;              exit;        }         }         sleep;      return 0;  }
    
  • 线程与共享

    • 线程间共享全局变量
    • :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。
    • :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("threadn");      return NULL;  }  int main  {      printf("At first var = %dn", var);      pthread_t tid;      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);      sleep;      printf("After pthread_create, var = %dn", var);                                                        return 0;  }
      

线程终止

终止方式  
例程返回 正常退出
调用pthread_exit 正常退出
响应pthread_cancel 异常退出

注意:

  • 在线程里调用exit是退出整个进程。

  • 在多线程的进程中,主线程调用pthread_exit,进程并不会退出,它的其他线程依旧在执行,但是主线程已经退出了。

  • 意味着:主线程和其他线程是几乎是平等的。

  • 不平等的是,如果主线程的main函数return了,那么其他线程也结束了,如果其他线程的入口函数return了,主线程不会跟着结束。

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。
  • 4、errno变量.
  • 5、信号屏蔽字。
  • 6、调度优先级。

前言

之前讨论了进程,了解一个进程能做一件事情,如果想同时处理多件事情,那么需要多个进程,但是进程间很不方便的一点是,进程间的数据交换似乎没有那么方便。Linux提供线程功能,能在一个进程中,处理多任务,而且线程之间的数据是完全共享的。

线程也有PCB,它的PCB和进程的PCB结构完全一样,只是它里面保存的虚拟地址空间和创建它的进程的虚拟地址空间完全保持一致。

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。

服务器使用场景

服务器一般的流程如下:

 图片 7

在服务器上,一个线程来处理整个流程,会导致处理流程非常慢,导致主线程无法及时接收报文。一般会使用子线程来做具体的工作,而主线程只负责接收报文。

图片 8

有时为了提高处理效率,会使用线程池

 

 

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; 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 **
  • :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;      ret->a = 100;      ret->b = 300;      pthread_exitret);  }  int main  {      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, &retval);      printf("a = %d, b = %dn", retval->a, retval->b);      free;      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。
  • :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 = arg;      sleep;      if{           var = 333;          printf("var = %dn", var);          return var;      } else if       {             var = 777;          printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lun  var = %dn", i+1, pthread_self;          pthread_exitvar);      } else {          printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lun  var = %dn", i+1, pthread_self;          pthread_exitvar);      }         return NULL;  }  int main  {      pthread_t tid[5];      int i;      int *ret[5];      for(i = 0; i < 5; i++)          pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, ;      for(i = 0; i < 5; i++){          pthread_join(tid[i], &ret[i]);          printf("-------%d 's ret = %dn'", i, ret[i]);      }      printf("I'm main pthread tid = %lut var = %dn", pthread_self;      sleep;      return 0;  }
    

线程的创建

通过pthread_create函数可以创建一个线程,被创建的线程的例程,就是一个新的执行指令序列了。

#include <pthread.h>

void* thread_func(void* p )
{
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;

    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);

    getchar();
}

 

 

Compile and link with -lpthread.

 

补充
intptr_t是一种整型,它的长度依赖机器位长,也就意味着它的长度和指针的长度一样的。

线程控制原语

7.7 线程的同步

无论上述那种场景,都有一个报文队列或者消息队列,一般这个队列是一个链表,主线程需要往链表中添加数据,而子线程从链表获取数据。两个线程同时操作一个全局变量是不安全的,应该避免不安全的访问。无论这种全局变量是数组、链表、还是一个简单的变量。

线程A:i = i + 1;
线程B:i = i + 1;

哲学家用餐模型分析

图片 9

线程的使用场景

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。
  • 进程与线程的区别:在于是否共享地址空间。
    • 独居。
    • 合租。
  • 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。

图片 10

  • 安装man文档

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

7.7.2.4 总结

  1. 无论是什么锁,都会导致性能下降,所以能不用就尽量不用

  2. 锁能不能用于进程间同步?可以

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
    • 3、线程栈警戒缓冲区大小
  • 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、栈尺寸(stack size)、栈地址(stack address)、优先级、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。

7.7.2.3 读共享写排他锁(读写锁)

共享锁/排他锁
定义锁:pthread_rwlock_t mutex;
初始化:pthread_rwlock_init(&mutex, NULL);
读锁定:pthread_rwlock_rdlock(&mutex);
写锁定:pthread_rwlock_wrlock(&mutex);
解锁:pthread_rwlock_unlock(&mutex);

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满足
      • 2、释放已掌握的互斥锁相当于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返回的就是绝对时间。而alarm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
        
      • 正确用法:

        • time_t cur = time; 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);

7.7.1 不安全的案例

  • 多线程操作一个全局变量

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <pthread.h>

 

int result=0;

 

void add()

{

    int i;

    for(i=0; i<100000; ++i)

    {

        result++;

    }

}

 

void* thread_func(void* p)

{

    add();

    return NULL;

}

 

int main()

{

    pthread_t t1;

    pthread_t t2;

 

    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);

 

    pthread_join(t1, NULL);

    pthread_join(t2, NULL);

 

    printf("%dn", result);

    return 0;

}

  • 不安全的生产者消费者模型

#include <list>

 

struct task_t

{

    int task;

};

 

list<task_t*> queue;

 

void* work_thread(void* arg)

{

    while(1)

    {

        if(queue.size() == 0) continue;

 

        task_t* task = *queue.begin();

        queue.pop_front();

 

        printf("task value is %dn", task->task);

        delete task;

    }

}

 

void main(int argc, char* argv[])

{

    pthread_t tid;

    pthread_create(&tid, NULL, work_thread, NULL);

 

    while(1)

    {

        int i;

        cin >> i;

        task_t* task = new task_t;

        task->task = i;

 

        queue.push_back(task);

    }

 

    pthread_join(tid, NULL);

}

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。

7.10 线程私有数据

线程可以定义私有数据,私有数据只供该线程使用。
线程私有数据可以在该线程调用函数中访问,其他线程调用的函数中,不可访问。

// 定义线程私有数据的key,是在线程设置和使用私有数据之前创建

pthread_key_t key;

pthread_key_create(&key, 用来清理私有数据的函数指针);

 

// 设置私有数据,该函数被那个线程调用,那么就是设置该线程私有数据

pthread_set_specific(key, data);

void* data = pthread_get_specific(key);

 

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

pthread_key_t key;

// 可能被线程A调用
// 也可能线程B调用
void foo()
{
    char* p = (char*)pthread_getspecific(key);
    printf("%sn", p);
}

void my_malloc()
{
    // 去这个线程的内存池去申请内存
    void* mempool = pthread_getspecific(key);
  //  __my_malloc(mempool, ...);
}

void* thread_func(void* ptr)
{
    // setspecific,需要在线程中调用,当然也可以在主线程中调用
    // 为这个线程设置私有数据
    pthread_setspecific(key, ptr);

    foo();
    my_malloc();
    return NULL;
}

void free_func(void* ptr)
{
    printf("free calln");
    free(ptr);
}

int main()
{
    pthread_key_create(&key, free_func);

    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, strdup("thread1"));
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, strdup("thread2"));

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

}

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

// 线程本地变量,每个线程都有一份拷贝
thread_local int result = 0;

void foo()
{
    // 全局变量
    thread_local static int a = 0;
    a++;
    printf("%dn", a);
}



void* thread_func1(void* ptr)
{
    foo();
    foo();
    result = 100;
}

void* thread_func2(void* ptr)
{
    foo();
    foo();

    sleep(1);
//    printf("%dn", result); // 100
    printf("%dn", result); // thread_local时,这个值是0
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_func1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_func2, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
}

 

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。

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。
    • 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。
      • 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, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);      memset(mm, 0, sizeof;      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{          for(i = 0; i < 10; i++){              pthread_mutex_lock(&mm->mutex);              (mm->num)++;              printf("-Child------------num++   %dn", mm->num);              pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);              sleep;          }      } else if(pid > 0){          for(i = 0; i < 10; i++){              sleep;              pthread_mutex_lock(&mm->mutex);              mm->num+=2;              printf("-------parent-----num+=2  %dn", mm->num);              pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);          }          wait;      }      pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr); //销毁mutex属性对象      pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //销毁mutex      munmap(mm,sizeof; //释放映射区      return 0;  }
    

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
        • PTHREAD_CREATE_JOINABLE
  • 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_exit11);  }  int main()  {      pthread_t tid;      int ret;      pthread_attr_t attr;      ret = pthread_attr_init(&attr);      if{           fprintf(stderr, "pthread_attr_init error:%sn", strerror;          exit;      }         pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);      ret = pthread_create(&tid, &attr, thread_func, NULL);      if{           fprintf(stderr, "pthread_create error:%sn", strerror;          exit;      }         ret = pthread_join(tid, NULL);      if{           fprintf(stderr, "pthread_join error:%sn", strerror;          exit;      }         pthread_exit1);                                                                                return 0;  }
    

信号量

  • 进化版的互斥锁。
  • 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

  • :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 {          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----%dn", queue[i]);          sem_post(&product_number); //将产品数++          i =  % NUM; //借助下标实现环形          sleep % 3);       }         return NULL;  }  void *consumer(void *arg)  {      int i = 0;      while{          sem_wait(&product_number); //消费者将产品数--,为0则阻塞等待          printf("--Consume---%dn", 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 =  % NUM; //借助下标实现环形          sleep % 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;      生产...      sem_post  }  T消费者主函数 {      sem_wait;      消费...      sem_post  }
      
    • 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,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。
    • :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。
    • :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。

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,生产向其中添加产品,消费者从中消费掉产品。
    图片 11
  • 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  {      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 ---%dn", mp->num);          free;          sleep % 5);      }  }  void *producer  {      for{          mp = malloc(sizeof(struct msg));          //模拟生产一个产品          mp->num = rand() % 1000 + 1;          printf("-Produce ---%dn", 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 % 5);      }  }  int main(int argc, char * argv)  {      pthread_t pid, cid;      srand(time;      pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);      pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);      pthread_join(pid, NULL);      pthread_join(cid, NULL);      return 0;  }
    

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

读写锁状态

  • 1、读模式下加锁状态。
  • 2、写模式下加锁状态。
  • 3、不加锁状态。

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。
    图片 12
  • :编写程序,实现上述死锁现象。

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。

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,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;      while{          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 % 3);           printf("worldn");          sleep % 3);       }      return NULL;  }  int main  {      pthread_t tid;      srand(time;      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);      while{          printf("HELLO ");           sleep % 3);           printf("WORLDn");          sleep % 3);       }      return 0;  }
    
  • :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;      while{          //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 % 3);           printf("worldn");          //解锁          pthread_mutex_unlock(&mutex);          sleep % 3);           //添加检查点          pthread_testcancel();      }      return NULL;  }  int main  {      int flag = 5;      pthread_t tid;      srand(time;      //锁初始化      pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  //mutex = 1      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);      while{          //加锁          pthread_mutex_lock(&mutex);          printf("HELLO ");          sleep % 3);          printf("WORLDn");          //解锁          pthread_mutex_unlock(&mutex);          sleep % 3);      }      //取消子线程      pthread_cancel;      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。

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 = arg;      while{          t = counter;          usleep;          pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);                                                                         printf("======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%dn", i, pthread_self(), t, ++counter);          pthread_rwlock_unlock(&rwlock);          usleep;      }         return NULL;  }  void *th_read(void *arg)  {      int i = arg;      while{          pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);          printf("======read %d: %lu: %dn", i, pthread_self(), counter);          pthread_rwlock_unlock(&rwlock);          usleep;      }         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, ;      for(i = 0; i < 5; i++)          pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, ;      for(i = 0; i < 8; i++)          pthread_join(tid[i], NULL);      //释放读写锁      pthread_rwlock_destroy(&rwlock);      return 0;  }   
    

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。

NPTL

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

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。
  • :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 = arg;      printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %un", 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, ;          if{              fprintf(stderr, "pthread_create error:%sn", strerror;              exit;          }      }                                                                                                       pthread_exit;  }
    

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      left = 0, right = 4;  else      left = i, right = i + 1;  while{      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。  }
      
      • 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, sizeof5, 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。

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