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原标题:多线程编程,Linux基础第七章

浏览次数:60 时间:2019-09-26

前言

前边切磋了经过,明白四个进程能做一件事情,假如想同期处理多件工作,那么必要三个经过,不过经过间很不方便人民群众的一些是,进度间的数据沟通仿佛并未有那么方便人民群众。Linux提供线程成效,能在三个进程中,管理多职分,何况线程之间的数据是一同分享的。

线程也是有PCB,它的PCB和经过的PCB结构完全相同,只是它里面保存的设想地址空间和成立它的进度的设想地址空间完全保持一致。

摘要

线程的创设

通过pthread_create函数能够创制一个线程,被创制的线程的例程,正是三个新的实行命令连串了。

#include <pthread.h>

void* thread_func(void* p )
{
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;

    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("tid=%dn", (int)tid);

    getchar();
}

 

 

Compile and link with -lpthread.

 

补充
intptr_t是一种整型,它的长短重视机器位长,也就表示它的长短和指针的长度一样的。

线程概念,线程与经过的区分与联系
学会线程序调控制,线程创造,线程终止,线程等待
打听线程分离与线程安全
学会线程同步
学会使用互斥量,条件变量,posix实信号量,读写锁

 线程标志

线程使用pthread_t来标记线程,它也是一个非负整数,由系统一分配配,保险在进度范围内独一。pthread_t即使在Linux下是非负整数,不过在别的平台下不料定是,所以相比较线程号是还是不是想等,应该用pthread_equal

任何三个函数都能够调用pthread_self来收获近来代码运营的线程。

线程概念

main函数和信号管理函数是同叁个经过地址空间中的多少个调整流程,八线程也是如此.
复信号管理函数的决定流程提示在功率信号递达时发出,在拍卖完时域信号今后结束.而八线程的主宰流程可以一劳永逸并存,操作系统在一一线程之间调治和切换.
一律进程的七个线程分享同一地方空间,因而,代码段,数据段都以分享的,唯有栈是私家的.

一直以来进程的线程共享能源:
代码段
数据段
文本汇报符表
各个时限信号的管理格局或然自定义函数
当前职业目录
用户id和组id

各有一份:
线程id
上下文,包含种种寄放器值,程序计数器和栈指针
errno变量
随机信号屏蔽字
调解优先级

编译时加选项-lpthread

线程终止

终止方式  
例程返回 正常退出
调用pthread_exit 正常退出
响应pthread_cancel 异常退出

注意:

  • 在线程里调用exit是退出整个经过。

  • 在二十四线程的历程中,主线程调用pthread_exit,进度并不会脱离,它的任何线程仍旧在实行,不过主线程已经淡出了。

  • 意味着:主线程和别的线程是大约是同样的。

  • 不一致样的是,借使主线程的main函数return了,那么另外线程也终结了,假若别的线程的入口函数return了,主线程不会随之截至。

线程调控

A成立线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t* attr,void*(*start_routine)(void*),void* arg);
当start_routine重返时,那几个线程退出,其余线程可以调用pthread_join得到start_routine的再次回到值
pthread_self能够收获当前线程的线程id.

假若任意二个线程调用了exit也许_exit,则整个经过的拥有线程都甘休,或许从main函数return,所无线程也停下

B线程终止
假诺要求只终止某些线程而不鸣金收兵整个经过
1从线程函数return,(不富含主线程)
2多个线程能够调用pthread_cancel终止同一进度中的另三个线程
3线程调用pthread_exit终止本人

注:线程中回到的指针应当是指向全局的仍然malloc获取的,因为线程的栈是私有的

C.线程等待
int pthread_join(pthread_t thread,void* * retval);
再次来到值:成功重回0,退步再次回到错误号

调用该函数的线程将挂起等待,直到id为thread的线程终止.
今是昨非终止情势,pthread_join得到的停下景况是见仁见智的:
1return回去,retval指向的单元贮存重回值
2被别的线程调用pthread_cancel格外终止,寄放常数PTHREAD_CANCELED
3投机调用pthread_exit终止,寄存传给pthread_exit的参数.
一经对重返值不感兴趣,传NULL给retval

线程除了能够告一段落后伺机pthread_join接收之外,还足以设置为detach状态
如此这般的线程一旦结束就撤废它占用的享有能源,而不保留终止状态.
对一个线程调用pthread_join或pthread_detach都能够把线程设置为detach状态,所以不可能对三个线程同期接纳三个

线程的回收

线程退出之后,它的PCB还是在基本中留存,等着别的线程来获得它的运行结果,能够经过pthread_join来回收线程。从那一个角度看,线程和进度大概,可是跟进度差别的时,线程没有父线程的概念,同一个历程内的其余线程都能够来回收它的运维结果。

pthread_join会阻塞调用它的线程,一向到被join的线程甘休截止。

pthread_joinwait/waitpid同等,也是阻塞的调用,它除了有回收PCB的效果与利益,也可以有等待线程截止的意义。

线程分离

线程是可构成的(joinable)恐怕是可分其他(detached)

组成的线程能被别的线程收回能源和杀死.在被收回以前,他的存款和储蓄器能源是不自由的.
分开线程则是不可能被其余线程收回也许杀死的,他的存款和储蓄器财富在悬停时由系统活动释放

暗许景况,线程是joinable状态.假诺一个线程未有被join而终结了,那么她便是相近进度中的活死人状态.

在主线程供给非阻塞格局时,能够在字线程中运用
pthread_detach(pthread_self())
照旧在父线程中动用pthread_detach(thread_id)
举办线程分离.如此,主线程不阻塞,同有的时候常间字线程财富自动释放

线程的选用情状

线程同步与排斥

A.mutex(互斥量)
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * restrict mutex, const const pthread_mutexattr_t * restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutext_t * mutex);
pthread_mutext_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZED;

参数attr设定metex的树形,如果为NULL缺省
如果mutex变量是静态分配的(全局变量大概static变量)能够使用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZED初始化

加锁解锁操作
int pthread_mutex_lock(pthread_mutext_t*mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutext_t*mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutext_t*mutex);

假若贰个锁机箱得到锁,又想不挂起,调用pthread_mutex_trylock,假设被占有,那么战败重临EBUSY,而不挂起等待

 顾客端使用景况

相似的话,线程用于相比复杂的多任务场景,比方:

 图片 1

这般主线程能够基础管理主线程的事体,不至于被犬牙相错的天职阻塞。比方:

 

图片 2

与上述同类聊天分界面不会卡死在这里,不然一旦网络状态比较倒霉,有希望变成分界面卡死。

死锁

倘诺三个线程前后相继调用一次lock,第三遍时,由于占用挂起.但是锁本人用着,挂起没机缘释放,所以就永久等待.这就是死锁
另一种死锁,五个线程使用了对方须要的锁,而又申请对方已经占领的锁.

在写程序时,应当幸免同期获得八个锁,假若有供给那么:
假定持有线程须要多少个锁,都按一样的依次获取锁,则不会现出死锁

B.Condition varialbe(条件变量)

二个例子:
生产者5秒生产二个能源,开销者2秒开销一个成品,使用mutex爱护管理时.那么,花费者会有每一遍都会有三秒的空研究.
那时我们可以改进度序.
除开锁的主题材料,大家标准决定,申请锁,看条件是不是建设构造,假诺创建,那么花费,不然,释放锁.阻塞等待.
当顾客发生条件时通报,作者就再度得到锁并开支

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t * cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cont, const pthread_condattr_t * restrict attr);
pthread_cond_t cont = PTHREAD_COND_INITIALIZED;

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond); //广播布告条件成熟
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);//文告条件成熟
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t* lock);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t* lock,time_value* timeout);

一个condition varialbe总是和叁个mutex搭配使用的.三个线程能够调用pthread_cond_wait在三个vondtion variable上围堵等待.该函数做以下三步骤:

1释放mutex
2堵塞等待
3当被提醒时,重型得到mutex并再次来到

服务器使用景况

服务器一般的流水生产线如下:

 图片 3

在服务器上,三个线程来拍卖整个工艺流程,会招致管理流程比相当的慢,导致主线程不或者及时吸收接纳报文。一般会使用子线程来做具体的干活,而主线程只担任接收报文。

图片 4

神迹为了增加管理效能,会使用线程池

 

 

C.semaphore信号量

mutex变量是非0即1的,能够用作哦可用能源的可用数量,初步为1.
semaphore变量类型为sem_t
int sem_init(sem_t*sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t*sem);
int sem_post(sem_t*sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);

调用sem_wait得到能源
调用sem_post能够使放能源

7.7 线程的一块

不论上述那种情景,都有二个报文队列只怕音信队列,一般那几个队列是三个链表,主线程须求往链表中添扩张少,而子线程从链表获取数据。七个线程同一时候操作一个全局变量是不安全的,应该防止不安全的探访。无论这种全局变量是数组、链表、依旧贰个简便的变量。

线程A:i = i + 1;
线程B:i = i + 1;

D.读写锁

多读少写的代码加锁
读写锁实际上是一种非常的自旋锁,他把对分享财富的拜谒划分为读者和写着,读者制度,写着开展写操作.
这种锁相对于自旋锁来讲,能拉长并发性,最大可能的读者是实际逻辑CPU数.
写者是排他性的,二个读写锁智能有四个写者或许三个读者
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t * restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t* rwlock);

7.7.1 不安全的案例

  • 二十三十二线程操作贰个全局变量

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <pthread.h>

 

int result=0;

 

void add()

{

    int i;

    for(i=0; i<100000; ++i)

    {

        result++;

    }

}

 

void* thread_func(void* p)

{

    add();

    return NULL;

}

 

int main()

{

    pthread_t t1;

    pthread_t t2;

 

    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);

 

    pthread_join(t1, NULL);

    pthread_join(t2, NULL);

 

    printf("%dn", result);

    return 0;

}

  • 不安全的生产者花费者模型

#include <list>

 

struct task_t

{

    int task;

};

 

list<task_t*> queue;

 

void* work_thread(void* arg)

{

    while(1)

    {

        if(queue.size() == 0) continue;

 

        task_t* task = *queue.begin();

        queue.pop_front();

 

        printf("task value is %dn", task->task);

        delete task;

    }

}

 

void main(int argc, char* argv[])

{

    pthread_t tid;

    pthread_create(&tid, NULL, work_thread, NULL);

 

    while(1)

    {

        int i;

        cin >> i;

        task_t* task = new task_t;

        task->task = i;

 

        queue.push_back(task);

    }

 

    pthread_join(tid, NULL);

}

linux下的锁

自旋锁,文件锁,大内核锁...
自旋锁:busy-waiting
互斥锁:sleep-waiting

因为自旋锁不会挑起调用者睡眠,所以自旋锁的功效远 高于互斥锁。尽管它的频率比互斥锁高,可是它也不怎么不足之处:
     1、自旋锁平素攻克CPU,他在未获得锁的情景下,一向运营--自旋,所以占用着CPU,固然不能够在不够长的时 间内得到锁,那确实会使CPU功能减少。
     2.在用自旋锁时有望引致死锁,当递归调用时有望形成死锁,调用有个别其余函数也恐怕导致死锁,如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。
为此我们要严慎使用自旋锁,自旋锁独有在内核可抢占式或SMP的情景下才真正供给,在单CPU且不得抢占式的内核下,自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间相当短的气象下。

文件锁

抗御多个进度同时操作文件而相互影响的标题

文件锁:
协同锁
假定三个进度申请文件锁并访谈文件,另八个进度能够访问文件,可是被感觉是私自的;
万一后进进度试图申请文件锁,那么就能够申请停业,所以就协同职业了
强制锁
强制文件必需经过报名锁财富才具开展拜望

7.7.2 锁(临界量)

锁能幸免五个线程同不平日间做客叁个全局变量。
锁会拉动多个难题:

  • 效率低

  • 死锁

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    
    int result = 0;
    // 定义锁,锁一般也定义在全局
    //pthread_mutex_t mutex;  // 粗粒度的锁
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    
    int result1 = 0;
    pthread_mutex_t mutex1;
    
    // 1.一个线程重复加锁两次,会死锁
    void func()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
    
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    void foo()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        func();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    // 2. 一个线程加锁之后,忘记了解锁
    void foo1()
    {
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(...) // 这种场合容易产生忘记解锁
            return;
        // ....
        // 忘记了解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    void foo2()
    {
        // 因为别的线程忘记解锁,所以本线程无法进行加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 阻塞在这里
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    void* thread_func(void* ptr)
    {
        foo();
    
        int i=0;
        for(i=0; i<100000; ++i)
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex1);
            result1++;//它的值由什么决定
            pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    
            // 两个线程同时操作全局变量,结果不可靠
            //
            // 将该操作变成原子操作,或者至少不应该被能影响它操作的人打断
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            result ++;  // result++代码被锁保护了,不会被其他线程的result++影响
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        return NULL;
    }
    
    int main()
    {
        // 使用锁之前,要对它进行初始化
    //    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
    
        pthread_t t1, t2;
        pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);
        pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);
    
        pthread_join(t1, NULL);
        pthread_join(t2, NULL);
    
        printf("result is %dn", result);
    }
    
    #include <stdio.h>
    #include <list>
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    struct task_t
    {
        int task;
    };
    
    // 全局的任务队列
    list<task_t*> tasks;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    
    // pthred_cond_signal和pthread_cond_wait类似不可靠信号,signal不会累计
    // 当一个线程发送signal时,如果另外一个线程此时没有调用wait函数,那么这个signal就会消失掉

    void* work_thread(void* ptr)
    {
        while(1)
        {
            // 等待条件
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);

            // 一旦条件满足,就应该处理队列中所有的任务
            while(1)
            {
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                if(tasks.size() == 0) 
                {
                    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 特别容易忘记解锁
                    break;
                }
                task_t* task = *tasks.begin();
                tasks.pop_front();
                pthread_mutex_unlock(&mutex);

                // 处理任务
                printf("current task is %dn", task->task);

                // new和delete(malloc和free)都是线程安全的
                delete task;
            }
        }
    }

    int main()
    {
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_cond_init(&cond, NULL);

        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, work_thread, NULL);

        while(1)
        {
            int i;
            // 阻塞的,等待任务
            cin >> i;

            // 构造任务结构体
            task_t* task = new task_t;
            task->task = i;

            // 把任务丢到任务列表中
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            tasks.push_back(task);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);

            // 唤醒条件变量
            pthread_cond_signal(&cond);
        }
    }

    //运用析构函数

    #ifndef __AUTO_LOCK_H__
    #define __AUTO_LOCK_H__

    #include <pthread.h>

    class auto_lock
    {
    public:
        auto_lock(pthread_mutex_t& m);
        ~auto_lock();
    private:
        pthread_mutex_t& mutex;
    };

    #endif



    #include "auto_lock.h"

    auto_lock::auto_lock(pthread_mutex_t& m): mutex(m)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
    }

    auto_lock::~auto_lock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }



    #include <stdio.h>
    #include "auto_lock.h"

    pthread_mutex_t mutex;
    int result = 0;

    void* thread_func(void*ptr)
    {
        for(int i=0 ;i<100000; ++i)
        {
            auto_lock var1(mutex); // 重复加锁
            auto_lock var(mutex); // 在构造里自动加锁
            result++;
        }
    }

    int main()
    {
        // 变成递归锁   及循环锁  
        pthread_mutexattr_t attr;//设计循环锁属性
        pthread_mutexattr_init(&attr);
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE); 

        // 用递归属性去初始化这个锁
        pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

        pthread_t tid1, tid2;
        pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);

        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);

        printf("result is %dn", result);
    }

 

相对的缓慢解决办法:

  • 读写锁

  • #include

    pthread_rwlock_t mutex;
    int result;
    
    void* thread_func(void* ptr)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&mutex);
        // 只能对数据读
        result ++; // 写数据的行为是会导致数据不正确
        pthread_rwlock_unlock(&mutex);
    
        pthread_rwlock_wrlock(&mutex);
        // 可以对数据读写
        pthread_rwlock_unlock(&mutex);
    }
    
    int main()
    {
    
        pthread_rwlock_init(&mutex, NULL);
    
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    }
    

     

  • 循环锁

7.7.2.1 基本锁

类型:pthread_mutex_t
概念的变量一般在大局:pthread_mutex_t g_mutex;
在行使此前要初叶化:pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);
访问敏感目的前加锁:pthread_mutex_lock(&g_mutex);
做客截至要解锁:pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

一把所能够承担多少个全局变量的安全难题,不过肩负的界定越大,效用越低,代码相对轻松写。担当全局变量的数量,被称之为锁的粒度。

死锁问题

  1. 忘掌握锁会时有爆发死锁

  2. 再也加锁会招致死锁

怎么消除死锁难点:

  1. 忘驾驭锁:程序猿自个儿要注意

  2. 再也加锁:使用循环锁能够消除难题

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