【Linux Server】三、Linux多线程开发

2021/12/6 7:18:46

本文主要是介绍【Linux Server】三、Linux多线程开发,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

三、Linux多线程开发

  1. 线程概述
  • 与进程(process)类似,线程(thread)是允许应用程序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。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序,且共享同一份全局内存区域,其中包括初始化数据段、未初始化数据段,以及堆内存段。(传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例,该进程只包含一个线程)
  • 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是进程。
  • 查看指定进程的 LWP 号:ps –Lf pid(进程号)

2.线程和进程区别

  • 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外,父子进程并未共享内存,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() 来创建进程的代价相对较高,即便利用写时复制技术,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,这意味着 fork() 调用在时间上的开销依然不菲。
  • 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到共享(全局或堆)变量中即可。
  • 创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的,无需采用写时复制来复制内存,也无需复制页表。

3.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
    • 文件系统的相关信息:文件权限掩码(umask)、当前工作目录
    • 虚拟地址空间(除栈、.text代码段)
  • 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

4.查看当前 pthread 库版本:getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

5.一般情况下,main函数所在的线程我们称之为主线程(main线程),其余创建的线程称之为子线程。
程序中默认只有一个进程,fork()函数调用后,2个进程。
程序中默认只有一个线程,pthread_create()函数调用后,2个线程。

6.线程操作

  • 查看帮助文档man ppthread_create
  • 编译的时候要加上 -lpthread 链接线程库。
  • int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
    • 功能:创建一个子线程
    • thread:传出参数,线程创建成功后,子线程的线程ID被写到该变量中。
    • attr : 设置线程的属性,一般使用默认值,NULL
    • start_routine : 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:0;失败:返回错误号。这个错误号和之前errno不太一样。
      获取错误号的信息: char * strerror(int errnum);
void* callback(void* arg)
{
    printf("arg value: %d\n", *(int *)arg);
    return NULL;
}
pthread_t tid;
int num = 10;
int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, (void *)&num);
  • pthread_t pthread_self(void);

    • 功能:获取当前线程的线程ID
  • int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

    • 功能:比较两个线程ID是否相等。不同的操作系统,pthread_t类型的实现不一样,有的是无符号的长整型,有的是使用结构体去实现的。
  • void pthread_exit(void *retval);

    • 功能:终止一个线程,在哪个线程中调用,就表示终止哪个线程
    • retval:需要传递一个指针,作为一个返回值,可以在pthread_join()中获取到。
    • 当主线程退出时,不会影响其他正常运行的线程。比如在main函数return 0之前执行pthread_exit(NULL)退出主线程,则return 0不会被执行。而执行return 0的话,子线程也会退出。
  • int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

    • 功能:和一个已经终止的线程进行连接。回收子线程的资源。这个函数是阻塞函数,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: 接收子线程退出时的返回值(注意这个参数是二级指针)
    • 返回值:0 : 成功;非0 : 失败,返回的错误号
  • int pthread_detach(pthread_t thread);

    • 功能:分离一个线程。被分离的线程在终止的时候,会自动释放资源返回给系统。
    • thread:需要分离的线程的ID
    • 返回值:成功:0;失败:返回错误号。
    • 不能多次分离,会产生不可预料的行为。
    • 不能去连接(pthread_join)一个已经分离的线程,会报错。
  • int pthread_cancel(pthread_t thread);

    • 功能:取消线程(让线程终止)。
    • 取消某个线程,可以终止某个线程的运行,但是并不是立马终止,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,我们可以粗略的理解为从用户区到内核区的切换,这个位置称之为取消点。

7.线程属性

  • 线程属性类型 pthread_attr_t
  • int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
    • 初始化线程属性变量
  • int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
    • 释放线程属性的资源
  • int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
    • 获取线程分离的状态属性
  • int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
    • 设置线程分离的状态属性
  • 可以通过命令查看线程属性的函数 man pthread_attr_两次tab键

8.线程同步

  • 线程的主要优势在于,能够通过全局变量来共享信息。不过,这种便捷的共享是有代价的: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,也就是同时访问同一共享资源的其他线程不应终端该片段的执行。
  • 线程同步:即当有一个线程在对内存进行操作时,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。

9.互斥量

  • 为避免线程更新共享变量时出现问题,可以使用互斥量(mutex 是 mutual exclusion的缩写)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的原子访问。
  • 互斥量有两种状态:已锁定(locked)和未锁定(unlocked)。任何时候,至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁,将可能阻塞线程或者报错失败,具体取决于加锁时使用的方法。
  • 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。一般情况下,对每一共享资源(可能由多个相关变量组成)会使用不同的互斥量,每一线程在访问同一资源时将采用如下协议:
    • 针对共享资源锁定互斥量
    • 访问共享资源
    • 对互斥量解锁
  • 如果多个线程试图执行这一块代码(一个临界区),事实上只有一个线程能够持有该互斥量(其他线程将遭到阻塞),即同时只有一个线程能够进入这段代码区域,

10.互斥量相关操作函数

  • 互斥量的类型 pthread_mutex_t
  • int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    • 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,一般用NULL
    • restrict : C语言的修饰符,被修饰的指针,不能由另外的一个指针进行操作。例如:
      pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
      pthread_mutex_t * mutex1 = mutex; // 用mutex1操作xxx,会报错
  • int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    • 释放互斥量的资源
  • int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    • 加锁,阻塞的,如果有一个线程加锁了,那么其他的线程只能阻塞等待
  • int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
    • 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);
    • 解锁

11.死锁

  • 有时,一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源,而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程加锁同一组互斥量时,就有可能发生死锁。
  • 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,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。
  • 死锁的几种场景:
    • 忘记释放锁
    • 重复加锁
    • 多线程多锁,抢占锁资源

12.读写锁

  • 当有一个线程已经持有互斥锁时,互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形,当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源,而同时有其它几个线程也想读取这个共享资源,但是由于互斥锁的排它性,所有其它线程都无法获取锁,也就无法读访问共享资源了,但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。
  • 在对数据的读写操作中,更多的是读操作,写操作较少,例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出,但只允许一个写入的需求,线程提供了读写锁来实现。
  • 读写锁的特点:
    • 如果有其它线程读数据,则允许其它线程执行读操作,但不允许写操作。
    • 如果有其它线程写数据,则其它线程都不允许读、写操作。
    • 写是独占的,写的优先级高。

13.读写锁相关操作函数

  • 读写锁的类型 pthread_rwlock_t
  • int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
  • int pthread_rwlock_destroy(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.条件变量

  • 条件变量的类型 pthread_cond_t
  • int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
  • int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
  • int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
    • 等待,调用了该函数,线程会阻塞。
    • 当这个函数调用阻塞时,会对互斥锁进行解锁;当不阻塞时,继续向下执行,会重新加锁。
  • int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
    • 等待多长时间,调用了这个函数,线程会阻塞,直到指定的时间结束。
  • int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    • 唤醒一个或者多个等待的线程
  • int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
    • 唤醒所有的等待的线程

15.信号量

  • 信号量的类型 sem_t

  • int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

    • 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 : 信号量中的值
  • int sem_destroy(sem_t *sem);

    • 释放资源
  • int sem_wait(sem_t *sem);

    • 对信号量加锁,调用一次对信号量的值-1,如果值为0,就阻塞
  • int sem_trywait(sem_t *sem);

  • int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

  • int sem_post(sem_t *sem);

    • 对信号量解锁,调用一次对信号量的值+1
  • int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

  • 生产者消费者例子

sem_t psem;
sem_t csem;
init(psem, 0, 8);
init(csem, 0, 0);

producer() 
{
    sem_wait(&psem);
    sem_post(&csem)
}

customer() 
{
    sem_wait(&csem);
    sem_post(&psem)
}


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