Linux系统编程之线程

一.线程介绍

1.进程与线程

　　典型的UNIX/Linux进程可以看成只有一个控制线程：一个进程在同一时刻只做一件事情。有了多个控制线程后，在程序设计时可以把进程设计成在同一时刻做不止一件事，每个线程各自处理独立的任务。　　

　　进程是程序执行时的一个实例，是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的基本单位。在面向线程设计的系统中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。程序本身只是指令、数据及其组织形式的描述，进程才是程序（那些指令和数据）的真正运行实例。

　　线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。线程包含了表示进程内执行环境必须的信息，其中包括进程中表示线程的线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno常量以及线程私有数据。进程的所有信息对该进程的所有线程都是共享的，包括可执行的程序文本、程序的全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。在Unix和类Unix操作系统中线程也被称为轻量级进程（lightweight processes），但轻量级进程更多指的是内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

"进程——资源分配的最小单位，线程——程序执行的最小单位"

　　进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

2.使用线程的理由

　从上面我们知道了进程与线程的区别，其实这些区别也就是我们使用线程的理由。总的来说就是：进程有独立的地址空间，线程没有单独的地址空间（同一进程内的线程共享进程的地址空间）。

　　使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。

　　使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。

　　除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：

• 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。
• 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。
• 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。

二.线程相关函数

1.线程创建函数

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);
返回值：成功返回0，失败返回错误编号

pthread_t *thread：线程id

const pthread_attr_t *attr：线程属性，一般用NULL，即默认属性

void *(*start_routine) (void *)：线程执行的函数

void *arg：函数参数，若有多个参数，则需要构建一个结构体后传入结构体地址

2.线程退出函数

void pthread_exit(void *retval);

void *retval：rval_ptr是一个无类型指针，与传给启动例程的单个参数类似。进程中的其他线程可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针，其传递的参数若为函数中的局部变量需为static静态变量，否则线程退出后，其资源会被释放，导致pthread_join访问到的数据为乱码

3.线程等待函数

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

返回值：成功返回0，失败返回错误编号

在运行到该函数时，若线程id对应的线程未退出，则运行该函数的线程被阻塞，直到对应线程退出时结束阻塞

4.获取线程id

pthread_t pthread_self(void);

5.示例

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

//int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
//                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);
//int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
//void pthread_exit(void *retval);

int g_data = 0;

void *func1(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t1:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t1:arg = %d\n",*(int *)arg);

        while(1){
                printf("t1:%d\n",g_data++);
                printf("t1:arg = %d\n",*(int *)arg);
                sleep(5);
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

void *func2(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t2:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t2:arg = %d\n",*(int *)arg);

        while(1){
                printf("t2:%d\n",g_data++);
                printf("t2:arg = %d\n",*(int *)arg);
                sleep(1);
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

int main()
{
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        int arg = 100;
        int ret;
        char *pret = NULL;

        ret = pthread_create(&t1, NULL, func1, (void *)&arg);
        ret = pthread_create(&t2, NULL, func2, (void *)&arg);
        if(ret == 0){
                printf("main:create thread success\n");
        }else{
                exit(-1);
        }
        printf("main:arg = %d\n",arg);

        while(1){
                printf("main:%d\n",g_data++);
                sleep(1);
        }

        pthread_join(t1,(void **)&pret);
        pthread_join(t2,(void**)&pret);
        printf("%s\n",pret);

        return 0;
}

三.互斥锁相关函数

1.互斥锁创建函数

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

返回值：成功返回0，失败返回错误编号
pthread_mutex_t *restrict mutex：互斥锁名

 const pthread_mutexattr_t *restrict attr：互斥锁属性，一般用NULL，即默认属性

2.互斥锁销毁函数

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

3.互斥锁操作函数（加锁，解锁）

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

如果线程不希望被阻塞，它可以使用pthread_mutex_trylock尝试对互斥量进行加锁。如果调用pthread_mutex_trylock时互斥量处于未锁住状态，那么pthread_mutex_trylock将锁住互斥量，不会出现阻塞并返回0，否则pthread_mutex_trylock就会失败，不能锁住互斥量，而返回EBUSY

如果一个线程拿到了互斥锁，则在同一个互斥锁上的其他线程在运行 pthread_mutex_lock函数时会被阻塞，直到拿到了互斥锁的线程运行pthread_mutex_unlock进行解锁，被阻塞的其他线程才会继续运行，如果有多个线程在同一个互斥锁上，则先竞争拿到该互斥锁的线程运行，其他线程被阻塞

4.示例

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

//int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
//                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);
//int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
//void pthread_exit(void *retval);

int g_data = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void *func1(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t1:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t1:arg = %d\n",*(int *)arg);

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        while(1){
                printf("t1:%d\n",g_data++);
                sleep(1);

                if(g_data = 3){
                        pthread_mutex_unlock(&mutex);
                        printf("t1 quit===============================================\n");
                        pthread_exit((void *)ret);
                }
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

void *func2(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t2:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t2:arg = %d\n",*(int *)arg);

        while(1){
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                printf("t2:%d\n",g_data++);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                sleep(1);
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

int main()
{
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        int arg = 100;
        int ret;
        char *pret = NULL;

        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

        ret = pthread_create(&t1, NULL, func1, (void *)&arg);
        if(ret == 0){
                printf("main:create thread t1 success\n");
        }else{
                exit(-1);
        }
        ret = pthread_create(&t2, NULL, func2, (void *)&arg);
        if(ret == 0){
                printf("main:create thread t2 success\n");
        }else{
                exit(-1);
        }

        printf("main:arg = %d\n",arg);

        while(1){
                printf("main:%d\n",g_data++);
                sleep(1);
        }

        pthread_join(t1,(void **)&pret);
        pthread_join(t2,(void**)&pret);

        pthread_mutex_destroy(&mutex);

        printf("%s\n",pret);

        return 0;
}

5.死锁

发生在有两个互斥锁及以上的程序，以两个互斥锁为例，当线程1拿到互斥锁1时又想要去拿到互斥锁2，但是互斥锁2已被线程2拿到并且线程2想要拿到互斥锁1则会发生死锁

void *func1(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t1:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t1:arg = %d\n",*(int *)arg);

        pthread_mutex_lock(&mutex);
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex2);

        while(1){
                printf("t1:%d\n",g_data++);
                sleep(1);

                if(g_data = 3){
                        pthread_mutex_unlock(&mutex);
                        printf("t1 quit===============================================\n");
                        pthread_exit((void *)ret);
                }
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

void *func2(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t2:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t2:arg = %d\n",*(int *)arg);

        pthread_mutex_lock(&mutex2);
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        while(1){
                printf("t2:%d\n",g_data++);
                sleep(1);
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

四.条件相关函数

1.条件创建函数

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
           const pthread_condattr_t *restrict attr);

参数介绍及返回值同互斥锁创建函数

动态创建是运用函数

静态创建是运用宏

静态创建示例：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

互斥锁的静态创建同条件的静态创建

2.条件销毁函数

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

3.条件等待函数

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex);
当线程运行到该函数时，会等待指定互斥锁上的指定条件触发

4.条件触发函数

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);//触发

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);//广播

这两个函数可以用于通知线程条件已经满足。pthread_cond_signal函数将唤醒等待该条件的某个线程，而pthread_cond_broadcast函数将唤醒等待该条件的所有进程。注意一定要在改变条件状态以后再给线程发信号

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

//int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
//                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);
//int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
//void pthread_exit(void *retval);

int g_data = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

/*静态创建
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
*/

void *func1(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t1:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t1:arg = %d\n",*(int *)arg);

        while(1){
                pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
                printf("t1 run===============================================\n");
                printf("t1:%d\n",g_data);
                g_data = 0;
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

void *func2(void *arg)
{
        static char *ret = "thread exit";

        printf("t2:%ld,thread is created\n",(long int)pthread_self());
        printf("t2:arg = %d\n",*(int *)arg);

        while(1){
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                printf("t2:%d\n",g_data++);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                sleep(1);
                if(g_data == 3){
                        pthread_cond_signal(&cond);
                }
        }

        pthread_exit((void *)ret);
}

int main()
{
        pthread_t t1;
        pthread_t t2;
        int arg = 100;
        int ret;
        char *pret = NULL;

        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        pthread_cond_init(&cond,NULL);

        ret = pthread_create(&t1, NULL, func1, (void *)&arg);
        if(ret == 0){
        //      printf("main:create thread t1 success\n");
        }else{
                exit(-1);
        }
        ret = pthread_create(&t2, NULL, func2, (void *)&arg);
        if(ret == 0){
        //      printf("main:create thread t2 success\n");
        }else{
                exit(-1);
        }

        printf("main:arg = %d\n",arg);

        pthread_join(t1,(void **)&pret);
        pthread_join(t2,(void**)&pret);

        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        pthread_cond_destroy(&cond);

        printf("%s\n",pret);

        return 0;
}