并发编程
线程
- 原理:一个操作系统(OS)包含许多并发进程。在进程模型中,进程是独立的执行单元。线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。创建某个进程就是在一个唯一地址空间创建一个主线程。当某进程开始时,就会执行该进程的主线程。如果只有一个主线程,那么进程和线程实际上并没有区别。但是,主线程可能会创建其他线程。每个线程又可以创建更多的线程等。某进程的所有线程都在该进程的相同地址空间中执行,但每个线程都是一个独立的执行单元。在线程模型中,如果一个线程被挂起,其他线程可以继续执行。除了共享共同的地址空间之外,线程还共享进程的许多其他资源,如用户id、打开的文件描述符和信号等。
- 优点:
- 线程创建和切换速度更快
- 线程的响应速度更快
- 线程更适合并行计算
- 缺点:
- 需要来自用户的明确同步
- 许多库函数可能对线程不安全
- 在单CPU系统上,使用线程解决问题实际上要比使用顺序程序慢
- 创建线程
使用pthread_create()函数创建线程。
int pthread_create (pthread_t *pthread_id, pthread_attr_t *attr, void *(*func) (void *) , void *arg) ;
如果成功则返回0,如果失败则返回错误代码。pthread_create()函数的参数为
- pthread_id 是指向pthread_t类型变量的指针。它会被操作系统内核分配的唯一线程 ID 填充。在POSIX中,pthread_t是一种不透明的类型。程序员应该不知道不透明对象的内容,因为它可能取决于实现情况。线程可通过pthread_self(函数获得自己的ID。在Linux中,pthread_t类型被定义为无符号长整型,因此线程ID可以打印为%lu。
- attr 是指向另一种不透明数据类型的指针,它指定线程属性,下面将对此进行更详细的说明。
- func 是要执行的新线程函数的入口地址。·arg 是指向线程函数参数的指针,可写为: void *func (void *arg)
其中, - attr参数最复杂。下面给出了attr参数的使用步骤。
(1)定义一个pthread 属性变量pthread_attr_t attro。
(2)用pthread_attr_init (&attr)初始化属性变量。
(3)设置属性变量并在pthread_create()调用中使用。
(4)必要时,通过pthread_attr_destroy (&attr)释放attr 资源。
下面列出了使用属性参数的一些示例。每个线程在创建时都默认可与其他线程连接。必要时,可使用分离属性创建一个线程,使它不能与其他线程连接。
- 线程ID
线程ID是一种不透明的数据类型,取决于实现情况。因此,不应该直接比较线程ID。如果需要,可以使用pthread_equal()函数对它们进行比较。
int pthread_equal (pthread_t t1, pthread_t t2);
如果是不同的线程,则返回0,否则返回非0。 - 线程终止
线程函数结束后,线程即终止。或者,线程可以调用函数
int pthread_exit(void *status);
进行显式终止,其中状态是线程的退出状态。通常,0退出值表示正常终止,非0值表示异常终止。 - 线程连接
一个线程可以等待另一个线程的终止,通过:
int pthread_join (pthread_t thread, void **status_ptr);
终止线程的退出状态以status_ptr 返回。
线程同步
由于线程在进程的同一地址空间中执行,它们共享同一地址空间中的所有全局变量和数据结构。当多个线程试图修改同一共享变量或数据结构时,如果修改结果取决于线程的执行顺序,则称之为竞态条件。在并发程序中,绝不能有竞态条件。否则,结果可能不一致。
- 互斥量:
最简单的同步工具是锁,它允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行。在Pthread中,锁被称为互斥量,意思是相互排斥。互斥变量是用pthread_mutex_t类型声明的,在使用之前必须对它们进行初始化。有两种方法可以初始化互斥量。
(1)一种是静态方法,如:
pthread_mutex_tm=PTHREA D_MUTEX_INITIALIZER;
定义互斥量m,并使用默认属性对其进行初始化。
(2)另一种是动态方法,使月月pthread_mutex_init()函数,可通过attr参数设置互斥属性,如:
pthread_mutex_init(pthread_mu tex_t *m, pthread_mutexattr_t,*attr);
通常,attr参数可以设置为NULL,作为默认属性。 - 死锁预防
互斥量使用封锁协议。如果某线程不能获取互斥量,就会被阻塞,等待互斥量解锁后再继续。在任何封锁协议中,误用加锁可能会产生一些问题。最常见和突出的问题是死锁。死锁是一种状态,在这种状态下,许多执行实体相互等待,因此都无法继续下去。死锁决不能存在于并发程序中。有多种方法可以解决可能的死锁问题,其中包括死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等等。在实际系统中,唯一可行的方法是死锁预防,试图在设计并行算法时防止死锁的发生。一种简单的死锁预防方法是对互斥量进行排序,并确
保每个线程只在一个方向请求互斥量,这样请求序列中就不会有循环。 - Linux中的线程
与许多其他操作系统不同,Linux不区分进程和线程。对于Linux内核,线程只是一个与其他进程共享某些资源的进程。在Linu x中,进程和线程都是由clone()系统调用创建的,具有以下原型:
int clone(int (*fn) (void *), void *child_stack, int flags,void *arg)
可以看出,clone()更像是一个线程创建函数。它创建一个子进程来执行带有child_stack的函数fn(arg)。flags字段详细说明父进程和子进程共享的资源,包括:
CLONE_VM:父进程和子进程共享地也址空间
CLONE_FS:父进程和子进程共享文件系统信息,例如根节点、CWD
CLONE_FILES:父进程和子进程共享打开的文件
CLONE_SIGHAND:父进程和子进程共享信号处理函数和已屏蔽信号
苏格拉底挑战
针对并发编程知识点的苏格拉底挑战
针对线程同步知识点的苏格拉底挑战