linux-多线程

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运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

二、什么时候使用多线程?

     当多个任务可以并行执行时,可以为每个任务启动一个线程。

三、线程的创建

     使用pthread_create函数。
    
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新创建的线程ID  
  3.                __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//线程属性  
  4.                void *(*__start_routine) (void *),//新创建的线程从start_routine开始执行  
  5.                void *__restrict __arg)//执行函数的参数  
返回值:成功-0,失败-返回错误编号,可以用strerror(errno)函数得到错误信息

四、线程的终止

   三种方式
  • 线程从执行函数返回,返回值是线程的退出码
  • 线程被同一进程的其他线程取消
  • 调用pthread_exit()函数退出。这里不是调用exit,因为线程调用exit函数,会导致线程所在的进程退出。

一个小例子:

启动两个线程,一个线程对全局变量num执行加1操作,执行五百次,一个线程对全局变量执行减1操作,同样执行五百次。

  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <pthread.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <string.h>  
  6.   
  7. int num=0;  
  8. void *add(void *arg) {//线程执行函数,执行500次加法  
  9.     int i = 0,tmp;  
  10.     for (; i <500; i++)  
  11.     {  
  12.         tmp=num+1;  
  13.         num=tmp;  
  14.         printf("add+1,result is:%d\n",num);  
  15.     }  
  16.     return ((void *)0);  
  17. }  
  18. void *sub(void *arg)//线程执行函数,执行500次减法  
  19. {  
  20.     int i=0,tmp;  
  21.     for(;i<500;i++)  
  22.     {  
  23.         tmp=num-1;  
  24.         num=tmp;  
  25.         printf("sub-1,result is:%d\n",num);  
  26.     }  
  27.     return ((void *)0);  
  28. }  
  29. int main(int argc, char** argv) {  
  30.       
  31.     pthread_t tid1,tid2;  
  32.     int err;  
  33.     void *tret;  
  34.     err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//创建线程  
  35.     if(err!=0)  
  36.     {  
  37.         printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));  
  38.         exit(-1);  
  39.     }  
  40.     err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);  
  41.     if(err!=0)  
  42.     {  
  43.         printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));  
  44.          exit(-1);  
  45.     }  
  46.     err=pthread_join(tid1,&tret);//阻塞等待线程id为tid1的线程,直到该线程退出  
  47.     if(err!=0)  
  48.     {  
  49.         printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));  
  50.         exit(-1);  
  51.     }  
  52.     printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);  
  53.     err=pthread_join(tid2,&tret);  
  54.     if(err!=0)  
  55.     {  
  56.         printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));  
  57.         exit(-1);  
  58.     }  
  59.     printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);  
  60.     return 0;  
  61. }  
使用g++编译该文件(g++ main.cpp -o main)。此时会报错undefined reference to `pthread_create'。


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

解决方法:在编译时,加上-lpthread参数。

执行结果:


乍一看,结果是对的,加500次,减500次,最后结果为0。但是仔细看所有的输出,你会发现有异样的东西。


    导致这个不和谐出现的原因是,两个线程可以对同一变量进行修改。假如线程1执行tmp=50+1后,被系统中断,此时线程2对num=50执行了减一操作,当线程1恢复,在执行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修改时,应该采用同步的方式。

五、线程同步

线程同步的三种方式:

1、互斥量

   互斥量用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;第二种,当互斥量为动态分配是,使用pthread_mutex_init函数进行初始化,使用pthread_mutex_destroy函数销毁。
  
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,  
  3.                    __const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);  
  4. 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。
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex);  
  3. int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex);  

使用互斥量修改上一个程序(修改部分用红色标出):
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

   允许多个线程同时读,只能有一个线程同时写。适用于读的次数远大于写的情况。
  读写锁初始化:
  
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,  
  3.                 __const pthread_rwlockattr_t *__restrict  
  4.                 __attr);  
  5. 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:
  
  1. int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)  

写加锁
 
  1. int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)  

解锁用同一个函数
  1. 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。
条件变量本身由互斥量保护,所以在改变条件状态前必须锁住互斥量。

条件变量初始化:

第一种,赋值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER;第二种,使用pthread_cond_init函数
  1. int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,  
  2.                   __const pthread_condattr_t *__restrict  
  3.                   __cond_attr);  
  4. int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);  

条件等待

使用pthread_cond_wait等待条件为真。
  1. pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,  
  2.               pthread_mutex_t *__restrict __mutex)  
这里需要注意的是,调用pthread_cond_wait传递的互斥量已锁定,pthread_cond_wait将调用线程放入等待条件的线程列表,然后释放互斥量,在pthread_cond_wait返回时,再次锁定互斥量。

唤醒线程

pthread_cond_signal唤醒等待该条件的某个线程,pthread_cond_broadcast唤醒等待该条件的所有线程。
  1. int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);  
  2.   
  3. int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)  

来一个例子,主线程启动4个线程,每个线程有一个参数i(i=生成顺序),无论线程的启动顺序如何,执行顺序只能为,线程0、线程1、线程2、线程3。
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <pthread.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <string.h>  
  6. #define DEBUG 1  
  7.   
  8. int num=0;  
  9. pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  10. pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
  11. void * thread_func(void *arg)  
  12. {  
  13.     int i=(int)arg;   
  14.     int ret;  
  15.     sleep(5-i);//线程睡眠,然最先生成的线程,最后苏醒  
  16.     pthread_mutex_lock(&mylock);//调用pthread_cond_wait前,必须获得互斥锁  
  17.     while(i!=num)  
  18.     {  
  19. #ifdef DEBUG  
  20.         printf("thread %d waiting\n",i);  
  21. #endif  
  22.         ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//该函数把线程放入等待条件的线程列表,然后对互斥锁进行解锁,这两部都是原子操作。并且在pthread_cond_wait返回时,互斥量再次锁住。  
  23.         if(ret==0)  
  24.         {  
  25. #ifdef DEBUG  
  26.             printf("thread %d wait success\n",i);  
  27. #endif  
  28.         }else  
  29.         {  
  30. #ifdef DEBUG  
  31.             printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));  
  32. #endif  
  33.         }  
  34.     }  
  35.     printf("thread %d is running \n",i);  
  36.     num++;  
  37.     pthread_mutex_unlock(&mylock);//解锁  
  38.     pthread_cond_broadcast(&qready);//唤醒等待该条件的所有线程  
  39.     return (void *)0;  
  40. }  
  41. int main(int argc, char** argv) {  
  42.       
  43.     int i=0,err;  
  44.     pthread_t tid[4];  
  45.     void *tret;  
  46.     for(;i<4;i++)  
  47.     {  
  48.         err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);  
  49.         if(err!=0)  
  50.         {  
  51.             printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));  
  52.             exit(-1);  
  53.         }  
  54.     }  
  55.     for (i = 0; i < 4; i++)  
  56.     {  
  57.         err = pthread_join(tid[i], &tret);  
  58.         if (err != 0)  
  59.         {  
  60.             printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));  
  61.             exit(-1);  
  62.         }  
  63.     }  
  64.     return 0;  
  65. }  

在非DEBUG模式,执行结果如图所示:

在DEBUG模式,执行结果如图所示:

在DEBUG模式可以看出,线程3先被唤醒,然后执行pthread_cond_wait(输出thread 3 waiting),此时在pthread_cond_wait中先解锁互斥量,然后进入等待状态。这是thread 2加锁互斥量成功,进入pthread_cond_wait(输出thread 2 waiting) ,同样解锁互斥量,然后进入等待状态。直到线程0,全局变量与线程参数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执行加1操作,解锁互斥量,然后唤醒所有等待该条件的线程。thread 3 被唤醒,输出thread 3 wait success。但是不满足条件,再次执行pthread_cond_wait。如此执行下去,满足条件的线程执行,不满足条件的线程等待。

posted on 2013-04-19 22:46  胡永光  阅读(174)  评论(0编辑  收藏  举报

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