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Linux多线程开发笔记

线程

线程概述

  • 与进程(process)类似,线程(thread)是允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序,且共享同一份全局内存区域,其中包括初始化数据段、未初始化数据段,以及堆内存段。(传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例,该进程只包含一个线程)
  • 进程是 CPU 分配资源的最小单位,线程是操作系统调度执行的最小单位。
  • 线程是轻量级的进程(LWP:Light Weight Process),在 Linux 环境下线程的本质仍是进程。
  • 查看指定进程的 LWP 号:ps –Lf pid

线程和进程区别

  • 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外,父子进程并未共享内存,因此必须采用一些进程间通信方式,在进程间进行信息交换。
  • 调用 fork() 来创建进程的代价相对较高,即便利用写时复制技术,仍然需要复制诸如内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性,这意味着 fork() 调用在时间上的开销依然不菲。
  • 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到共享(全局或堆)变量中即可。
  • 创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的,无需采用写时复制来复制内存,也无需复制页表。

线程之间共享和非共享资源

  • 共享资源
    • 进程ID和父进程ID
    • 进程组ID和会话ID
    • 用户ID和用户组ID
    • 文件描述符表
    • 信号处置
    • 文件系统的相关信息:文件权限掩码(umask)、当前工作目录
    • 虚拟地址空间(除栈、.text)
  • 非共享资源
    • 线程ID
    • 信号掩码
    • 线程特有数据
    • error变量
    • 实时调度策略和优先级
    • 栈、本地变量和函数的调用链接信息

NPTL

  • 当 Linux 最初开发时,在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过 clone()系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程(calling process)的一个拷贝,这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。LinuxThreads 项目使用这个调用来完成在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是,这种方法有一些缺点,尤其是在信号处理、调度和进程间同步等方面都存在问题。另外,这个线程模型也不符合 POSIX 的要求。
  • 要改进 LinuxThreads,需要内核的支持,并且重写线程库。有两个相互竞争的项目开始来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT(Next-GenerationPOSIX Threads)项目。同时,Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。NGPT在 2003 年中期被放弃了,把这个领域完全留给了 NPTL。
  • NPTL,或称为 Native POSIX Thread Library,是 Linux 线程的一个新实现,它克服了 LinuxThreads 的缺点,同时也符合 POSIX 的需求。与 LinuxThreads 相比,它在性能和稳定性方面都提供了重大的改进。
  • 查看当前 pthread 库版本:getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

线程操作

  1. 创建线程

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    一般情况下,main函数所在的线程我们称之为主线程(main线程),其余创建的线程
    称之为子线程。
    程序中默认只有一个进程,fork()函数调用,2进行
    程序中默认只有一个线程,pthread_create()函数调用,2个线程。

    #include <pthread.h>
    int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
    void *(*start_routine) (void *), void *arg);

    - 功能:创建一个子线程
    - 参数:
    - thread:传出参数,线程创建成功后,子线程的线程ID被写到该变量中。
    - attr : 设置线程的属性,一般使用默认值,NULL
    - start_routine : 函数指针,这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
    - arg : 给第三个参数使用,传参
    - 返回值:
    成功:0
    失败:返回错误号。这个错误号和之前errno不太一样。
    获取错误号的信息: char * strerror(int errnum);
  2. 终止线程

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    #include <pthread.h>
    void pthread_exit(void *retval);
    功能:终止一个线程,在哪个线程中调用,就表示终止哪个线程
    参数:
    retval:需要传递一个指针,作为一个返回值,可以在pthread_join()中获取到。

    pthread_t pthread_self(void);
    功能:获取当前的线程的线程ID

    int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
    功能:比较两个线程ID是否相等
    不同的操作系统,pthread_t类型的实现不一样,有的是无符号的长整型,有的
    是使用结构体去实现的。
  3. 连接一个已终止的线程

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    #include <pthread.h>
    int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
    - 功能:和一个已经终止的线程进行连接
    回收子线程的资源
    这个函数是阻塞函数,调用一次只能回收一个子线程
    一般在主线程中使用
    - 参数:
    - thread:需要回收的子线程的ID
    - retval: 接收子线程退出时的返回值
    - 返回值:
    0 : 成功
    非0 : 失败,返回的错误号
  4. 线程分离

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    #include <pthread.h>
    int pthread_detach(pthread_t thread);
    - 功能:分离一个线程。被分离的线程在终止的时候,会自动释放资源返回给系统。
    1.不能多次分离,会产生不可预料的行为。
    2.不能去连接一个已经分离的线程,会报错。
    - 参数:需要分离的线程的ID
    - 返回值:
    成功:0
    失败:返回错误号
  5. 线程取消

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    #include <pthread.h>
    int pthread_cancel(pthread_t thread);
    - 功能:取消线程(让线程终止)
    取消某个线程,可以终止某个线程的运行,
    但是并不是立马终止,而是当子线程执行到一个取消点,线程才会终止。
    取消点:系统规定好的一些系统调用,我们可以粗略的理解为从用户区到内核区的切换,
    这个位置称之为取消点。
  6. 线程属性

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    int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
    - 初始化线程属性变量

    int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
    - 释放线程属性的资源

    int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
    - 获取线程分离的状态属性

    int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
    - 设置线程分离的状态属性

线程同步

线程同步

  • 线程的主要优势在于,能够通过全局变量来共享信息。不过,这种便捷的共享是有代价的:必须确保多个线程不会同时修改同一变量,或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。
  • 临界区是指访问某一共享资源的代码片段,并且这段代码的执行应为原子操作,也就是同时访问同一共享资源的其他线程不应终端该片段的执行。
  • 线程同步:即当有一个线程在对内存进行操作时,其他线程都不可以对这个内存地址进行操作,直到该线程完成操作,其他线程才能对该内存地址进行操作,而其他线程则处于等待状态。

互斥量

  • 为避免线程更新共享变量时出现问题,可以使用互斥量(mutex 是 mutual exclusion的缩写)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的原子访问。
  • 互斥量有两种状态:已锁定(locked)和未锁定(unlocked)。任何时候,至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁,将可能阻塞线程或者报错失败,具体取决于加锁时使用的方法。
  • 一旦线程锁定互斥量,随即成为该互斥量的所有者,只有所有者才能给互斥量解锁。一般情况下,对每一共享资源(可能由多个相关变量组成)会使用不同的互斥量,每一线程在访问
    • 同一资源时将采用如下协议:
      • 针对共享资源锁定互斥量
      • 访问共享资源
      • 对互斥量解锁

互斥量相关操作函数:

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互斥量的类型 pthread_mutex_t
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
- 初始化互斥量
- 参数 :
- mutex : 需要初始化的互斥量变量
- attr : 互斥量相关的属性,NULL
- restrict : C语言的修饰符,被修饰的指针,不能由另外的一个指针进行操作。
pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
pthread_mutex_t * mutex1 = mutex;

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
- 释放互斥量的资源

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
- 加锁,阻塞的,如果有一个线程加锁了,那么其他的线程只能阻塞等待

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
- 尝试加锁,如果加锁失败,不会阻塞,会直接返回。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
- 解锁

死锁

  • 有时,一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源,而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程加锁同一组互斥量时,就有可能发生死锁。
  • 两个或两个以上的进程在执行过程中,因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。
  • 死锁的几种场景:
    • 忘记释放锁
    • 重复加锁
    • 多线程多锁,抢占锁资源

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读写锁

  • 当有一个线程已经持有互斥锁时,互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形,当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源,而同时有其它几个线程也想读取这个共享资源,但是由于互斥锁的排它性,所有其它线程都无法获取锁,也就无法读访问共享资源了,但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。
  • 在对数据的读写操作中,更多的是读操作,写操作较少,例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出,但只允许一个写入的需求,线程提供了读写锁来实现。
  • 读写锁的特点:
    • 如果有其它线程读数据,则允许其它线程执行读操作,但不允许写操作。
    • 如果有其它线程写数据,则其它线程都不允许读、写操作。
    • 写是独占的,写的优先级高。

读写锁相关操作函数

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读写锁的类型 pthread_rwlock_t

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

生产者和消费者模型

条件变量

某个条件满足了解除阻塞。

条件变量不是锁,配合互斥量使用实现线程同步。

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条件变量的类型 pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
- 等待,调用了该函数,线程会阻塞。并对mutex解锁。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
- 等待多长时间,调用了这个函数,线程会阻塞,直到指定的时间结束。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
- 唤醒一个或者多个等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
- 唤醒所有的等待的线程

信号量

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信号量的类型 sem_t
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
- 初始化信号量
- 参数:
- sem : 信号量变量的地址
- pshared : 0 用在线程间 ,非0 用在进程间
- value : 信号量中的值

int sem_destroy(sem_t *sem);
- 释放资源

int sem_wait(sem_t *sem);
- 对信号量加锁,调用一次对信号量的值-1,如果值为0,就阻塞

int sem_trywait(sem_t *sem);

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
int sem_post(sem_t *sem);
- 对信号量解锁,调用一次对信号量的值+1

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

sem_t psem;
sem_t csem;
init(psem, 0, 8);
init(csem, 0, 0);

producer() {
sem_wait(&psem);
sem_post(&csem)
}

customer() {
sem_wait(&csem);
sem_post(&psem)
}