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Linux多線程編程（一）

更新時(shí)間：2014年08月27日 10:01:12 投稿：hebedich

linux多線程設(shè)計(jì)是指基于Linux操作系統(tǒng)下的多線程設(shè)計(jì)，包括多任務(wù)程序的設(shè)計(jì)，并發(fā)程序設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)共享等。Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口，稱為pthread。

一、什么是線程？

線程是進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位，它是比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。線程自己基本上不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源(如程序計(jì)數(shù)器，一組寄存器和棧)，但是它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他的線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。

二、什么時(shí)候使用多線程？當(dāng)多個(gè)任務(wù)可以并行執(zhí)行時(shí)，可以為每個(gè)任務(wù)啟動(dòng)一個(gè)線程。
三、線程的創(chuàng)建使用pthread_create函數(shù)。

#include<pthread.h>
int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新創(chuàng)建的線程ID
			  __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//線程屬性
			  void *(*__start_routine) (void *),//新創(chuàng)建的線程從start_routine開始執(zhí)行
			  void *__restrict __arg)//執(zhí)行函數(shù)的參數(shù)

返回值：成功-0，失敗-返回錯(cuò)誤編號(hào)，可以用strerror(errno)函數(shù)得到錯(cuò)誤信息
四、線程的終止三種方式線程從執(zhí)行函數(shù)返回，返回值是線程的退出碼線程被同一進(jìn)程的其他線程取消調(diào)用pthread_exit()函數(shù)退出。這里不是調(diào)用exit，因?yàn)榫€程調(diào)用exit函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致線程所在的進(jìn)程退出。

一個(gè)小例子：

啟動(dòng)兩個(gè)線程，一個(gè)線程對(duì)全局變量num執(zhí)行加1操作，執(zhí)行五百次，一個(gè)線程對(duì)全局變量執(zhí)行減1操作，同樣執(zhí)行五百次。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int num=0;
void *add(void *arg) {//線程執(zhí)行函數(shù)，執(zhí)行500次加法
  int i = 0,tmp;
  for (; i <500; i++)
  {
    tmp=num+1;
    num=tmp;
    printf("add+1,result is:%d\n",num);
  }
  return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)//線程執(zhí)行函數(shù)，執(zhí)行500次減法
{
  int i=0,tmp;
  for(;i<500;i++)
  {
    tmp=num-1;
    num=tmp;
    printf("sub-1,result is:%d\n",num);
  }
  return ((void *)0);
}
int main(int argc, char** argv) {
  
  pthread_t tid1,tid2;
  int err;
  void *tret;
  err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//創(chuàng)建線程
  if(err!=0)
  {
    printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
    exit(-1);
  }
  err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);
  if(err!=0)
  {
    printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
     exit(-1);
  }
  err=pthread_join(tid1,&tret);//阻塞等待線程id為tid1的線程，直到該線程退出
  if(err!=0)
  {
    printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
    exit(-1);
  }
  printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);
  err=pthread_join(tid2,&tret);
  if(err!=0)
  {
    printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
    exit(-1);
  }
  printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);
  return 0;
}

使用g++編譯該文件（g++ main.cpp -o main)。此時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)undefined reference to `pthread_create'。

報(bào)這個(gè)錯(cuò)誤的原因是：pthread庫不是linux默認(rèn)的庫，所以在編譯時(shí)候需要指明libpthread.a庫。

解決方法：在編譯時(shí)，加上-lpthread參數(shù)。

執(zhí)行結(jié)果：

乍一看，結(jié)果是對(duì)的，加500次，減500次，最后結(jié)果為0。但是仔細(xì)看所有的輸出，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有異樣的東西。

導(dǎo)致這個(gè)不和諧出現(xiàn)的原因是，兩個(gè)線程可以對(duì)同一變量進(jìn)行修改。假如線程1執(zhí)行tmp=50+1后，被系統(tǒng)中斷，此時(shí)線程2對(duì)num=50執(zhí)行了減一操作，當(dāng)線程1恢復(fù)，在執(zhí)行num=tmp=51。而正確結(jié)果應(yīng)為50。所以當(dāng)多個(gè)線程對(duì)共享區(qū)域進(jìn)行修改時(shí)，應(yīng)該采用同步的方式。

五、線程同步線程同步的三種方式：

1、互斥量互斥量用pthread_mutex_t數(shù)據(jù)類型來表示。

兩種方式初始化，第一種：賦值為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；第二種，當(dāng)互斥量為動(dòng)態(tài)分配是，使用pthread_mutex_init函數(shù)進(jìn)行初始化，使用pthread_mutex_destroy函數(shù)銷毀。

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,
			    __const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);

返回值：成功-0，失敗-錯(cuò)誤編號(hào) 加解鎖加鎖調(diào)用pthread_mutex_lock,解鎖調(diào)用pthread_mutex_unlock。

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex)；
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex)；

使用互斥量修改上一個(gè)程序（修改部分用紅色標(biāo)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、讀寫鎖允許多個(gè)線程同時(shí)讀，只能有一個(gè)線程同時(shí)寫。適用于讀的次數(shù)遠(yuǎn)大于寫的情況。讀寫鎖初始化：

#include<pthread.h>
int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,
				__const pthread_rwlockattr_t *__restrict
				__attr);
int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);

返回值：成功--0，失敗-錯(cuò)誤編號(hào)
加鎖，這里分為讀加鎖和寫加鎖。
讀加鎖：

int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

寫加鎖：

int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

解鎖用同一個(gè)函數(shù)：

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

3、條件變量條件變量用pthread_cond_t數(shù)據(jù)類型表示。條件變量本身由互斥量保護(hù)，所以在改變條件狀態(tài)前必須鎖住互斥量。
條件變量初始化：
第一種，賦值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER；第二種，使用pthread_cond_init函數(shù)

int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,
   __const pthread_condattr_t *__restrict
   __cond_attr);int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);

條件等待
使用pthread_cond_wait等待條件為真。

 pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,
   pthread_mutex_t *__restrict __mutex)

這里需要注意的是，調(diào)用pthread_cond_wait傳遞的互斥量已鎖定，pthread_cond_wait將調(diào)用線程放入等待條件的線程列表，然后釋放互斥量，在pthread_cond_wait返回時(shí)，再次鎖定互斥量。
喚醒線程
pthread_cond_signal喚醒等待該條件的某個(gè)線程，pthread_cond_broadcast喚醒等待該條件的所有線程。

int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)

來一個(gè)例子，主線程啟動(dòng)4個(gè)線程，每個(gè)線程有一個(gè)參數(shù)i（i=生成順序），無論線程的啟動(dòng)順序如何，執(zhí)行順序只能為，線程0、線程1、線程2、線程3。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define DEBUG 1

int num=0;
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void * thread_func(void *arg)
{
  int i=(int)arg; 
  int ret;
  sleep(5-i);//線程睡眠,然最先生成的線程，最后蘇醒
  pthread_mutex_lock(&mylock);//調(diào)用pthread_cond_wait前，必須獲得互斥鎖
  while(i!=num)
  {
#ifdef DEBUG
    printf("thread %d waiting\n",i);
#endif
    ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//該函數(shù)把線程放入等待條件的線程列表，然后對(duì)互斥鎖進(jìn)行解鎖，這兩部都是原子操作。并且在pthread_cond_wait返回時(shí)，互斥量再次鎖住。
    if(ret==0)
    {
#ifdef DEBUG
      printf("thread %d wait success\n",i);
#endif
    }else
    {
#ifdef DEBUG
      printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));
#endif
    }
  }
  printf("thread %d is running \n",i);
  num++;
  pthread_mutex_unlock(&mylock);//解鎖
  pthread_cond_broadcast(&qready);//喚醒等待該條件的所有線程
  return (void *)0;
}
int main(int argc, char** argv) {
  
  int i=0,err;
  pthread_t tid[4];
  void *tret;
  for(;i<4;i++)
  {
    err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);
    if(err!=0)
    {
      printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));
      exit(-1);
    }
  }
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    err = pthread_join(tid[i], &tret);
    if (err != 0)
    {
      printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));
      exit(-1);
    }
  }
  return 0;
}

在非DEBUG模式，執(zhí)行結(jié)果如圖所示：
在DEBUG模式，執(zhí)行結(jié)果如圖所示:

在DEBUG模式可以看出，線程3先被喚醒，然后執(zhí)行pthread_cond_wait（輸出thread 3 waiting)，此時(shí)在pthread_cond_wait中先解鎖互斥量，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。這是thread 2加鎖互斥量成功，進(jìn)入pthread_cond_wait(輸出thread 2 waiting） ,同樣解鎖互斥量，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。直到線程0，全局變量與線程參數(shù)i一致，滿足條件，不進(jìn)入條件等待，輸出thread 0 is running。全局變量num執(zhí)行加1操作，解鎖互斥量，然后喚醒所有等待該條件的線程。thread 3 被喚醒，輸出thread 3 wait success。但是不滿足條件，再次執(zhí)行pthread_cond_wait。如此執(zhí)行下去，滿足條件的線程執(zhí)行，不滿足條件的線程等待。

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