并发程序设计4：多线程

 　　上一节实现了基于epoll的IO复用并发程序控制，本节记录基于多线程的并发程序设计。

1. 线程和进程

　　进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是系统资源管理资源分配的基本单位，而线程是进程中代码的一个执行流，是系统调度的基本单位(虽然这句话很常见，但是就用户级线程和内核级线程而言似乎不同，后面会讲到)。同一进程内的线程除了有自己的空间外，还共享进程的资源。线程和进程的区别如图1.1所示。

                                  

 

                                 (a) 单线程                                                                  (b) 多线程

                                                                  图1.1 进程与线程

可以看到，进程创建时，系统为其分配地址空间，进程有自己的代码段，数据段，堆栈。而线程在创建时，共享进程地址空间，同时维护自己的堆栈。再细分一下，线程可以分为用户级线程(User Level Thread, ULT)和内核级线程(Kernel Level Thread, KLT)。

1.1 KLT和ULT(PS: 此部分仅是操作系统中的概念，用户编程时均是多线程处理)

　　不同的操作系统实现线程的方式略有不同，有的操作系统直接支持线程(KLT)；而有的操作系统感知不到线程的存在，其线程实现是通过用户空间以库函数来管理实现的(ULT)。

　　KLT管理工作由OS来执行，此时OS直接调度线程，进程不再具有多状态(只有挂起和非挂起)。主要特点有：

(1) 进程中一个线程被阻塞，OS调用该进程中其他线程来执行；

(2) 多处理器环境下，内核调用多个线程并行执行(物理并行)；

(3) 应用程序在用户模式下进行，线程调度在内核模式下进行。线程调度要模式切换，系统开销大。

 

　　ULT多线程中内核没有意识到线程存在。多线程通过用户空间内的线程库实现。主要特点有：

(1) 线程管理的数据结构在用户空间中，调度不需要模式切换；

(2) 线程调度算法可裁剪和选择(因为是用户库函数来实现的)；

(3) 不能利用多处理器优势，OS调用进程，进程中只有一个线程执行。一个线程阻塞，导致整个进程阻塞。

为了解决ULT的线程阻塞导致进程阻塞问题，引入了jacketing技术，Jacketing技术可以在线程阻塞时是否进行进程切换或转移控制权给其他线程。

 

　　此外，还有第三混合式多线程。混合式多线程在用户空间创建多线程ULT(用户创建)，同时内核空间创建多线程KLT。将多个ULT映射到(小于等于ULLT的数目)KLT当中。程序员可以调整KLT的数目。KLT的调度由OS负责，ULT的三态由用户调度，并将活跃态的ULT绑定到KLT上。三种方式的对比如图1.2所示。

                          

 

                                                          图1.2 三种多线程的对比

                          (注：图引自https://www.cnblogs.com/Mered1th/p/10745137.html)

2. Linux下多线程的实现

Linux下多线程实现主要用到了pthread.h库函数，主要函数如下：

int pthread_create(pthread_t* restrict thread, attr, void* (*start_routine)(void *),void* restrict arg);
thread：用于保存线程ID的变量；
attr：属性，设为NULL；
start_routine：线程开始函数，返回值和输入参数都是void指针;
arg：传递给线程的参数

为了使创建的线程结束之后自动销毁，有两种方式：
(1) 由创建线程的进程调用
int pthread_join(pthread_t thread, void **status);
thread：等待的线程ID
status：返回给进程的参数

(2) 线程结束时调用
int pthread_detach(pthread_t thread);

方式很简单，我们仍然以回声服务器服务器端的代码为例，将其变成多线程并发，代码如下：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void error_handle(const char* msg)
{
    fputs(msg,stderr);
    fputc('\n',stderr);
    exit(1);
}
void* client_thread(void* arg); //线程处理函数

int main(int argc,char* argv[])
{
    //服务器建立连接
    int servsock,clntsock;
    struct sockaddr_in servaddr,clntaddr;
    char message[50];
    socklen_t clntlen=sizeof(clntaddr);;
    
    if(argc!=2)
        error_handle("Please input port number");
    
    servsock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);  //1.建立套接字
    
    memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family=AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);  //默认本机IP地址
    servaddr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));  
    
    if(bind(servsock,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))==-1)
        error_handle("bind error");  //2.建立连接
    
    if(listen(servsock,10)==-1) //3.监听建立
        error_handle("listen() error");
        
    //到此的代码为socket创建过程，与前三节相同
    pthread_t t_id; //保存线程ID
    while(1)
    {
        clntsock=accept(servsock,(struct sockaddr*)&clntaddr,&clntlen); //建立客户端连接
        if(clntsock==-1)
        {
            printf("accept() error");
            close(clntsock);
        }
        else{
        pthread_create(&t_id,NULL,client_thread,(void*)&clntsock);
        pthread_detach(t_id);
        printf("connecting");
        }
    }
    
}

void* client_thread(void* arg)
{
    char message[30];
    int sock=*((int*)arg);
    int strlen;
    while(1)
    {
        strlen=read(sock,message,sizeof(message));
        if(strlen==0)  //断开连接
        {
            close(sock);
            break;
        }
        if(strlen>0)
            write(sock,message,strlen);
    }
    
}

ps：Linux下在编译该代码时，应加上线程库，如上面的代码文件名为server.cpp。那么编译命令为：g++ server.cpp -g -o -lpthread