多线程编程（Linux C） |
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多线程编程可以说每个程序员的基本功，同时也是开发中的难点之一，本文以Linux C为例，讲述了线程的创建及常用的几种线程同步的方式，最后对多线程编程进行了总结与思考并给出代码示例。 一、创建线程多线程编程的第一步，创建线程。创建线程其实是增加了一个控制流程，使得同一进程中存在多个控制流程并发或者并行执行。 线程创建函数，其他函数这里不再列出，可以参考pthread.h。 #include int pthread_create( pthread_t *restrict thread, /*线程id*/ const pthread_attr_t *restrict attr, /*线程属性，默认可置为NULL，表示线程属性取缺省值*/ void *(*start_routine)(void*), /*线程入口函数*/ void *restrict arg /*线程入口函数的参数*/ );代码示例： #include #include #include #include #include char* thread_func1(void* arg) { pid_t pid = getpid(); pthread_t tid = pthread_self(); printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)\n", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid); char* msg = "thread_func1"; return msg; } void* thread_func2(void* arg) { pid_t pid = getpid(); pthread_t tid = pthread_self(); printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)\n", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid); char* msg = "thread_func2 "; while(1) { printf("%s running\n", msg); sleep(1); } return NULL; } int main() { pthread_t tid1, tid2; if (pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func1, "new thread:") != 0) { printf("pthread_create error."); exit(EXIT_FAILURE); } if (pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func2, "new thread:") != 0) { printf("pthread_create error."); exit(EXIT_FAILURE); } pthread_detach(tid2); char* rev = NULL; pthread_join(tid1, (void *)&rev); printf("%s return.\n", rev); pthread_cancel(tid2); printf("main thread end.\n"); return 0; } 二、线程同步有时候我们需要多个线程相互协作来执行，这时需要线程间同步。线程间同步的常用方法有： 互斥 信号量 条件变量我们先看一个未进行线程同步的示例： #include #include #include #include #include #define LEN 100000 int num = 0; void* thread_func(void* arg) { for (int i = 0; i< LEN; ++i) { num += 1; } return NULL; } int main() { pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, NULL); char* rev = NULL; pthread_join(tid1, (void *)&rev); pthread_join(tid2, (void *)&rev); printf("correct result=%d, wrong result=%d.\n", 2*LEN, num); return 0; }运行结果：correct result=200000, wrong result=106860.。 【1】互斥这个是最容易理解的，在访问临界资源时，通过互斥，限制同一时刻最多只能有一个线程可以获取临界资源。 其实互斥的逻辑就是：如果访问临街资源发现没有其他线程上锁，就上锁，获取临界资源，期间如果其他线程执行到互斥锁发现已锁住，则线程挂起等待解锁，当前线程访问完临界资源后，解锁并唤醒其他被该互斥锁挂起的线程，等待再次被调度执行。 “挂起等待”和“唤醒等待线程”的操作如何实现？每个Mutex有一个等待队列，一个线程要在Mutex上挂起等待，首先在把自己加入等待队列中，然后置线程状态为睡眠，然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程，只需从等待队列中取出一项，把它的状态从睡眠改为就绪，加入就绪队列，那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。 主要函数如下： #include int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); /*初始化互斥量*/ int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); /*销毁互斥量*/ int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);用互斥解决上面计算结果错误的问题，示例如下： #include #include #include #include #include #define LEN 100000 int num = 0; void* thread_func(void* arg) { pthread_mutex_t* p_mutex = (pthread_mutex_t*)arg; for (int i = 0; i< LEN; ++i) { pthread_mutex_lock(p_mutex); num += 1; pthread_mutex_unlock(p_mutex); } return NULL; } int main() { pthread_mutex_t m_mutex; pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL); pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); pthread_mutex_destroy(&m_mutex); printf("correct result=%d, result=%d.\n", 2*LEN, num); return 0; }运行结果：correct result=200000, result=200000. 如果在互斥中还嵌套有其他互斥代码，需要注意死锁问题。 产生死锁的两种情况： 一种情况是：如果同一个线程先后两次调用lock，在第二次调用时，由于锁已经被占用，该线程会挂起等待别的线程释放锁，然而锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起而没有机会释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了，产生死锁。 另一种典型的死锁情形是：线程A获得了锁1，线程B获得了锁2，这时线程A调用lock试图获得锁2，结果是需要挂起等待线程B释放锁2，而这时线程B也调用lock试图获得锁1，结果是需要挂起等待线程A释放锁1，于是线程A和B都永远处于挂起状态了。如何避免死锁： 不用互斥锁（这个很多时候很难办到） 写程序时应该尽量避免同时获得多个锁。 如果一定有必要这么做，则有一个原则：如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序（常见的是按Mutex变量的地址顺序）获得锁，则不会出现死锁。 （比如一个程序中用到锁1、锁2、锁3，它们所对应的Mutex变量的地址是锁1next = tmp; pthread_mutex_unlock(&mlock); pthread_cond_signal(&condv); count += n; if(count > LIMIT) { break; } sleep(rand()%5); } printf("producer count=%d\n", count); } void consumer(void* arg) { printf("consumer thread running.\n"); int count = 0; for(;;) { pthread_mutex_lock(&mlock); if (NULL == phead) { pthread_cond_wait(&condv, &mlock); } else { while(phead != NULL) { count += phead->n; struct data* tmp = phead; phead = phead->next; free(tmp); } } pthread_mutex_unlock(&mlock); if (count > LIMIT) break; } printf("consumer count=%d\n", count); } int main() { pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); return 0; }条件变量中的执行逻辑： 关键是理解执行到int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex) 这里时发生了什么，其他的都比较容易理解。执行这条函数前需要先获取互斥锁，判断条件是否满足，如果满足执行条件，则继续向下执行后释放锁；如果判断不满足执行条件，则释放锁，线程阻塞在这里，一直等到其他线程通知执行条件满足，唤醒线程，再次加锁，向下执行后释放锁。（简而言之就是：释放锁-->阻塞等待-->唤醒后加锁返回） 实现细节可看源码pthread_cond_wait.c和pthread_cond_signal.c 上面的例子可能有些繁琐，下面的这个代码示例则更为简洁： #include #include #include #include #include #include #include #define NUM 3 pthread_cond_t condv = PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void producer(void* arg) { int n = NUM; while(n--) { sleep(1); pthread_cond_signal(&condv); printf("producer thread send notify signal. %d\t", NUM-n); } } void consumer(void* arg) { int n = 0; while (1) { pthread_cond_wait(&condv, &mlock); printf("recv producer thread notify signal. %d\n", ++n); if (NUM == n) { break; } } } int main() { pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); return 0; }运行结果： producer thread send notify signal. 1 recv producer thread notify signal. 1 producer thread send notify signal. 2 recv producer thread notify signal. 2 producer thread send notify signal. 3 recv producer thread notify signal. 3 【3】信号量信号量适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源。用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待时，该计数值减一；当线程完成一次对semaphore对象的释放时，计数值加一。当计数值为0时，线程挂起等待，直到计数值超过0. 主要函数如下： #include 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);代码示例如下： #include #include #include #include #include #include #include #include #define NUM 5 int queue[NUM]; sem_t psem, csem; void producer(void* arg) { int pos = 0; int num, count = 0; for (int i=0; i |
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