Linux系统编程（七）线程控制
2022/4/27 7:14:43
本文主要是介绍Linux系统编程（七）线程控制，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！
1、线程控制
a. pthread_self
获取线程ID
b. pthread_create
#include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
pthread_attr_t意为线程属性，比如线程优先级等，pthread_create执行成功返回0
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void* func(void* arg)
{
printf("thread: pid = %d, tid = %ld\n", getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char** argv)
{
printf("main: pid = %d, tid = %ld\n", getpid(), pthread_self());
pthread_t tid;
int ret = pthread_create(&tid, NULL, func, NULL);
if(ret != 0)
{
perror("pthread_create fail");
exit(1);
}
sleep(1);
return 0;
}
man page时看到pthread_create编译时要加上-pthread，所以编译时用
$ gcc pthread.c -phread -o pthread
循环创建多个线程时可能出现问题，例子如下：
void* func(void* arg)
{
printf("thread %d: pid = %d, tid = %ld\n", *(int*)arg,getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char** argv)
{
printf("main: pid = %d, tid = %ld\n", getpid(), pthread_self());
pthread_t tid;
int i;
for(i = 0; i < 5; i++)
{
int ret = pthread_create(&tid, NULL, func, (void*)&i); // 这步会出现问题！
if(ret != 0)
{
perror("pthread_create fail");
exit(1);
}
}
sleep(5);
return 0;
}
看到执行结果如下：
main: pid = 21374, tid = 139621297563456 thread 1: pid = 21374, tid = 139621289035520 thread 2: pid = 21374, tid = 139621280642816 thread 5: pid = 21374, tid = 139621255464704 thread 5: pid = 21374, tid = 139621263857408 thread 5: pid = 21374, tid = 139621272250112
传递的是i的地址，子线程在执行过程中i值发生变化，子线程拿到的值就不是想要的值了
c. pthread_exit
退出当前线程
void pthread_exit(void *retval);
这里来看三个返回：
a. return : 返回到调用者
b. pthread_exit ：退出线程，如果将main函数的return拿掉，添加pthread_exit，那么主线程退出，子线程依旧在执行
c. exit ：退出进程
d. pthread_join
阻塞等待并回收线程
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
struct Thrd_ret{
int n;
char str[128];
};
void* func(void* arg)
{
struct Thrd_ret* ret;
ret = malloc(sizeof(struct Thrd_ret));
ret->n = 100;
strcpy(ret->str, "Hello Thread");
printf("Thread : pid = %d, tid = %ld\n", getpid(), pthread_self());
return (void*)ret;
}
int main(int argc, char** argv)
{
pthread_t tid;
int ret = pthread_create(&tid, NULL, func, NULL);
if(ret != 0)
{
fprintf(stderr, "pthread_create fail, error = %s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
struct Thrd_ret* thrd_ret;
pthread_join(tid, (void*)&thrd_ret);
printf("ret->n = %d, ret->str = %s\n", thrd_ret->n, thrd_ret->str);
pthread_exit(NULL);
}
e. pthread_cancel
杀死线程，需要一个取消点，如果没有取消点，可以通过pthread_testcancel添加取消点
int pthread_cancel(pthread_t thread);
f. pthread_detach
实现线程分离，线程结束时不会残留资源在内核当中，分离出去的线程执行结束之后自动回收，不需要pthread_join去回收
2、线程属性
pthread_attr_int
线程属性初始化
pthread_attr_setdetachstate
设置线程属性为分离属性
pthread_attr_destroy
销毁线程属性占用资源
3、线程同步
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，调用不会回，同时其他线程为保证数据的一致性，不能调用该功能
互斥量
每个线程对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能才做，操作结束解锁；同一时刻只能有一个线程持有锁。
下面有一种情况，A线程对某个全局变量加锁访问；B线程访问前尝试加锁，拿不到锁B线程阻塞；C线程不加锁，直接访问该全局变量，依然可以访问但是会出现数据混乱。
互斥锁是操作系统提供的一把建议锁，建议程序中有多线程加锁访问共享资源，不具有强制性
互斥锁
以下函数成功返回0，错误返回errno
pthread_mutex_init
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_destroy
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock：加锁失败会阻塞，直到持有该互斥量的其他线程解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock：尝试加锁，加锁失败返回错误号EBUSY，不阻塞
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock：主动解锁，将阻塞在该锁上的线程全部唤醒。唤醒顺序取决于优先级、调度，默认先阻塞先唤醒
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_t类型
下面举个例子：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>void* func(void* arg)
{
while(1)
{
printf("hello ");
sleep(rand()%3);
printf("world\n");
sleep(rand()%3);
}
return NULL;
}
int main(int argc, char** argv)
{
srand(time(NULL));
pthread_t thread;
int ret = pthread_create(&thread, NULL, func, NULL);
if(ret != 0)
{
fprintf(stderr, "pthread create fail, errno = %s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
while(1)
{
printf("HELLO ");
sleep(rand()%3); // sleep 1 sec, let child thread get CPU
printf("WORLD\n");
sleep(rand()%3); // let child thread get CPU
}
pthread_join(thread, NULL);
}
在没有加锁之前，输出都是混乱的，随机sleep用于模拟长时间操作，让CPU去执行其他线程工作。
HELLO hello WORLD HELLO WORLD HELLO WORLD world HELLO WORLD hello world hello HELLO world hello WORLD world HELLO WORLD
加锁之后就会得到预期的结果了
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* func(void* arg)
{
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("hello ");
sleep(rand()%3);
printf("world\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand()%3);
}
return NULL;
}
int main(int argc, char** argv)
{
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
srand(time(NULL));
pthread_t thread;
int ret = pthread_create(&thread, NULL, func, NULL);
if(ret != 0)
{
fprintf(stderr, "pthread create fail, errno = %s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("HELLO ");
sleep(rand()%3); // sleep 1 sec, let child thread get CPU
printf("WORLD\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand()%3); // let child thread get CPU
}
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_join(thread, NULL);
}
注意事项：
尽量保证锁的粒度，越小越小（访问共享数据前加锁，访问结束立即解锁）
如果pthread_mutex_unlock放在第二个sleep之后，会发现有一直数据大写或者一直输出小写的情况
死锁
a. 对于同一个锁反复lock
b. 线程1拥有A锁，请求B锁；线程2拥有B锁，请求A锁
读写锁
读写锁拥有更高的并行性：写独占，读共享；写锁优先级高；锁只有一把
pthread_rwlock_t
pthread_rwlock_init
pthread_rwlock_destory
pthread_rwlock_rdlock
pthread_rwlock_rwlock
写模式加锁时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞
读模式加锁时，如果线程以读模式对其加锁会成功，写模式加锁会则色
镀膜室加锁时，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清秋，优先满足写锁
pthread_rwlock_unlock
条件变量
条件变量并不是锁，但是要结合锁来使用
pthread_cond_init
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
或者使用静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER
pthread_cond_destroy
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_wait：
a. 阻塞等待一个条件变量
b. 释放已经掌握的互斥锁(解锁互斥量) a b两步为原子操作
c. 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
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
pthread_cond_timewait
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abstime);
pthread_cond_signal：唤醒阻塞在条件变量上的一个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_broadcast：唤醒阻塞在条件变量上的所有线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
生产者消费者模型：
生产者： 消费者：
1、创建锁 1、加锁
2、生成数据 2、pthread_cond_wait(&cond, &mutex)
3、加锁，将数据放置到公共区域 1）阻塞等待条件变量 2）解锁 3）等待 4）加锁
4、解锁 3、访问共享数据
5、通知阻塞在条件变量上的线程 4、解锁
6、循环生产后续数据
这里写了一个demo来模拟：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
typedef struct MSG {
int num;
struct MSG *next;
} MSG;
MSG *head = NULL;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void* func_product(void* arg)
{
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
MSG* msg = (MSG*)malloc(sizeof(MSG));
if(head != NULL)
{
MSG** tmp = &head->next;
while(*tmp != NULL)
{
tmp = &(*tmp)->next;
}
msg->num = random() % 1000;
msg->next = NULL;
*tmp = msg;
printf("----productor create child node, num = %d\n", (*tmp)->num);
}
else{
head = msg;
head->num = random() % 1000 ;
head->next = NULL;
printf("----productor create header node, num = %d\n", head->num);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond); // 这个放在if判断中是不是更好
sleep(rand()%2);
}
return NULL;
}
void* func_comsume(void* arg)
{
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(head == NULL)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
while(head != NULL)
{
MSG* msg = head->next;
printf("comsumer release node, num = %d\n", head->num);
free(head);
head = msg;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(5);
}
return NULL;
}
int main(int argc, char** argv)
{
pthread_t thrd_productor, thrd_comsumer;
int ret;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
srand(time(NULL));
ret = pthread_create(&thrd_productor, NULL, func_product, NULL);
if(ret != 0)
{
fprintf(stderr, "pthread_create fail, %s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
ret = pthread_create(&thrd_comsumer, NULL, func_comsume, NULL);
pthread_join(thrd_productor, NULL);
pthread_join(thrd_comsumer, NULL);
return 0;
}
按我的理解，这个模型在实际使用中生产者会一直生产，生产需要时间，但是不是所有步骤都要占用锁，所以消费者可以有机会拿到锁来消费；同样的消费者拿到锁也不会一直占着锁不让生产者生产，由于消费处理可能需要消耗一定时间，所以更好的是将生产的内容copy一份，然后就把锁释放掉，让生产者继续生产。
当有多个消费者时，生产者发出信号，一个消费者争抢到锁，其他消费者会阻塞在锁上；当争抢到锁的消费者释放锁时，其他消费者可以拿到锁，但是这时候条件变量不满足就会出现问题，这时候要再判断一下条件变量，把if改成while就可以
void* func_comsume(void* arg)
{
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(head == NULL)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
while(head != NULL)
{
MSG* msg = head->next;
printf("comsumer release node, num = %d\n", head->num);
free(head);
head = msg;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(5);
}
return NULL;
}
信号量 semaphore
进化版的互斥锁，互斥锁导致并发性下降，信号量既能保证同步又能提高线程并发。可以用于线程和进程同步
以下为信号量相关方法，成功返回0，失败返回-1，并且设置errorno
sem_t
sem_init：
初始化信号量变量，第二个参数0表示用于线程同步，1表示进程同步，第三个参数表示指定最大同时访问的线程数
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
sem_destroy
int sem_destroy(sem_t *sem);
sem_wait：相当于加锁操作，并不一定会阻塞，访问线程数上限之后才会阻塞
int sem_wait(sem_t *sem);
sem_trywait
int sem_trywait(sem_t *sem);
sem_timedwait
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout); // 这里的abs_timeout是相对于1970.1.1的绝对时间，使用前要先获取当前时间 time_t cur = time(NULL); struct timespec t t.tv_sec = cur + 1; t.tv_nsec = t.tv_sec + 100;
sem_post：相当于解锁操作
int sem_post(sem_t *sem);
信号量同样可以实现生产者 - 消费者模型，但是和条件变量的实现方法有很大不同，譬如以下demo：
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define NUM 5
int arr[NUM];
sem_t prod;
sem_t coms;
void* func_product(void* arg)
{
int i = 0;
while(1)
{
sem_wait(&prod);
arr[i] = rand()%1000 + 1;
printf("--- product value %d\n", arr[i]);
i = (i + 1) % NUM;
sleep(rand()%1);
sem_post(&coms);
}
return NULL;
}
void* func_comsume(void* arg)
{
int i = 0;
while(1)
{
sem_wait(&coms);
printf("tid = %ld, comsume value %d\n", pthread_self(), arr[i]);
arr[i] = 0;
i = (i+1)%NUM;
sem_post(&prod);
sleep(rand()%3);
}
return NULL;
}
int main(int argc, char** argv)
{
pthread_t thrd_productor, thrd_comsumer;
memset(arr, 0, sizeof(arr));
sem_init(&prod, 0, NUM);
sem_init(&coms, 0, 0);
int ret;
ret = pthread_create(&thrd_productor, NULL, func_product, NULL);
ret = pthread_create(&thrd_comsumer, NULL, func_comsume, NULL);
pthread_join(thrd_productor, NULL);
pthread_join(thrd_comsumer, NULL);
return 0;
}
首先生产者每次wait并不一定会阻塞，等arr中的数据写满之后，才会阻塞等待；每次有数据写入到arr中，会post通知消费者线程，这时候消费者就可以消费了。
消费者线程wait等待，生产者post解除阻塞，消费者拿到数据消费，消费完成之后post通知生产者，消费结束可以再生产。
上面这个例子是两个线程同步，暂时未改成更多线程同步。如果在上面的例子直接多加几个消费者线程，会发现消费者读出0，这并不是预期的。
这篇关于Linux系统编程（七）线程控制的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对大家有所帮助，也希望大家多多支持为之网！
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