Linux多线程开发I

1.线程是允许应用进程并发执行多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。

• 同一个程序中多有的线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域，包括初始化数据段、未初始化数据段、堆内存段。
• 进程是CPU分配资源的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。
• 线程是轻量级的进程（LWP：Light Weight Process），在Linux环境下线程的本质仍然是进程。

2.查看指定进程的LWP号。

ps -Lf pid

　

3.线程和进程的区别。

• 进程间的信息难以共享。父子进程之间并未共享内存，因此必须采用一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。
• 调用fork()创建进程的时间开销较高，即使是写时复制技术，仍然需要复制诸如内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性。
• 线程之间能够方便快速地共享信息。只需要将数据复制到共享（全局/堆）变量中即可。
• 创建线程比进程快10倍之多。线程间共享虚拟地址空间，无需采用写时复制来复制内存，也无需复制页表。

 

4.线程之间共享和非共享资源。

• 共享资源
• 进程ID和父进程ID
• 进程组ID和会话ID
• 用户ID和用户组ID
• 文件描述符表
• 信号处置
• 文件系统相关的信息：文件权限掩码（umask）、当前工作目录
• 虚拟地址空间（除栈、代码段.text）
• 非共享资源
• 线程ID
• 信号掩码（阻塞信号集）
• 线程特有数据
• error变量
• 实时调度策略和优先级
• 栈，本地变量和函数的调用链接信息

 

5.线程相关函数。编译连接需要加上参数 -pthread

# 查看线程相关函数
$ man pthread  (tab键显示所有相关list)
 
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
    - 作用：创建一个子线程。
            - 一般情况下，main函数所在的线程称之为主线程（main线程），其余创建的线程成为子线程。
            - 程序中默认只有一个进程，调用fork()函数后有2个进程
            - 程序默认只有一个线程，调用pthread_create()之后有2个线程
    - thread: 传出参数，线程创建成功后，子线程的线程ID被写道该变量中
    - attr: 设置线程的属性，一般使用默认值，NULL
    - start_rountine: 函数指针，这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
    - arg: 给第三个参数使用，传参
    - 返回值：成功返回0，失败返回错误号，通过 char* strerror(int  errnum); 获取错误号信息
 
// 主线程退出时，不会影响其它正常运行的线程
void pthread_exit(void *retval);
    - 作用：终止线程，在哪个线程中调用，就表示终止哪个线程
    - retval: 传递一个指针，作为一个返回值，可以在pthread_join()中获得
 
pthread_t pthread_self(void)
    - 作用：获取当前线程的线程ID
 
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
    - 作用：比较两个线程ID是否相等
 
// 任何线程都可以回收其他终止的线程的资源
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
    - 作用：和一个已经终止的线程进行连接，回收子线程的资源
        - 这个函数是阻塞的，调用一次只能回收一个子线程，一般在主线程中使用    
    - thread: 需要回收的子线程的ID
    - retval: 接受子线程退出时的返回值
    - 返回值：成功返回0，失败返回错误号
 
int pthread_detach(pthread_t thread);
    - 作用：分离线程，被分离的线程在终止时，自动释放资源返回给系统
        - 不会阻塞父进程
        - 不能多次分离
        - 不能连接一个已经分离的线程
    - thread: 线程ID 
    - 返回值：成功返回0，失败返回错误号
 
int pthread_cancel(pthread_t thread);
    - 作用：取消线程（让线程终止）
        - 取消某个进程，可以终止某个线程的运行，但并不是马上终止，而是当子线程执行到一个取消点，线程才会终止
        - 取消点：系统规定好的一些系统调用，可以粗略的理解为用户区到内核区的切换，这个位置称之为取消点
    - thread: 线程ID
    - 返回值：成功返回0，失败返回错误号

　　

6.线程属性。

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
    - 作用：初始化线程属性变量
 
int pthread_attr_destory(pthread_attr_t *attr);
    - 作用：释放线程属性的资源
 
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
    - 作用：获取线程分离的状态属性
 
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
    - 作用：设置线程分离的状态属性
    - attr: 线程的属性，可以通过pthread_attr_init获得
    - detachstate: 分离状态，PTHREAD_CREATE_DETACHED：使用attr创建的线程将以分离状态创建；PTHREAD_CREATE_JOINABLE：使用attr创建的线程将以可连接状态创建（默认）

　　

7.线程同步。

• 线程的优势是可以通过全局变量来共享信息。但是必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。
• 临界区是指访问某一共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为原子操作，即同时访问统一资源的其他线程不应中断该片段的执行。
• 线程同步：当有一个线程对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处于等待状态。

 

 

8.互斥量（互斥锁，mutex，mutual exclusion）用来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。

• 两种状态：已锁定和未锁定。至多只有一个线程可以锁定该互斥量。
• 一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。
• 如果多个线程试图执行临界代码，其中一个线程抢到CPU资源，将锁定互斥量，然后访问临界代码，之后解锁互斥量，期间其他想要访问互斥量的线程将被阻塞。

 

9.互斥量相关操作函数。

pthread_mutex_t    互斥量类型
 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    - 作用：初始化互斥量
    - mutex: 需要初始化的互斥量变量
    - attr: 互斥量相关的属性，NULL；restrict：C语言修饰符，被修饰的指针不能由另外一个指针进行操作
 
// 释放互斥锁后再使用互斥锁会造成未知结果    
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);
     - 作用：释放互斥量的资源
 
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
     - 作用：加锁，阻塞的，如果一个线程加锁了，其他线程只能阻塞等待
 
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
     - 作用：尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回
 
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
     - 作用：解锁

　　

10.死锁。两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，这些进程都无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

11.死锁产生的场景。

• 忘记释放锁
• 重复加锁
• 多线程多锁，抢占锁资源

 

12.读写锁。允许多个读出，只允许一个写入。

• 如果有其他线程读数据，允许其他线程执行读操作，但不允许写操作。
• 如果有其他线程写数据，其他线程都不允许读、写操作。
• 写是独占的，写的优先级高。

 

13.读写锁相关操作函数。

int pthread_rwlock_t    读写锁类型
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restict attr);
 
int pthread_rwlock_destory(pthread_rwlock_t *rwlock);
 
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
 
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
 
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
 
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
 
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

　　

14.生产者和消费者模型。

 

15.条件变量。用于阻塞线程。

• 条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用来实现线程同步。
• 条件变量使线程睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：
• 一个线程阻塞等待"条件变量的条件成立"；  pthread_cond_wait
• 另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）；pthread_cond_signal
• 条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

pthread_cond_t        条件变量类型
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr *restrict attr);
 
int pthread_cond_destory(pthread_cond_t * cond);
 
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_mutex_t *restrict mutex);
    - 作用：阻塞函数等待条件变量，调用了该函数，线程会阻塞
 
# 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁mutex进行解锁，当不阻塞时，继续向下执行前会对对互斥锁重新加锁
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct *restrict abstime);
    - 作用：等待多长时间，调用该函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束
 
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t * cond);
    - 作用：唤醒1个或多个线程
 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t * cond);
    - 作用：唤醒全部线程

　　

16.信号量。用于阻塞线程。

sem_t            信号量的类型
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
    - 作用：初始化信号量
    - sem: 信号量变量的地址
    - pshared: 0 用在线程间，非0 用在进程间
    - value: 信号量的值
 
int sem_destory(sem_t *sem);
    - 作用：销毁信号量
 
int sem_wait(sem_t *sem);
    - 作用：对信号量加锁，如果信号量的值大于0，则对信号量的值-1并立即返回；如果为0就阻塞，直到信号量的值可以减少或其他信号处理器终止了该函数的调用
    - 返回值：成功返回0，失败返回-1并设置errno    
 
int sem_trywait(sem_t *sem);
 
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec * abs_timeout);
 
int sem_post(sem_t *sem);
    - 作用：对信号量解锁，对信号量的值+1；如果信号量的值因此大于零，那么在sem_wait调用中被阻塞的另一个线程将被唤醒，并继续锁定信号量
    - 返回值：成功返回0，失败返回-1并设置errno
 
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);