LINUX環(huán)境高級編程-線程

1、線程的概念線程的創(chuàng)建和操縱線程的同步代碼演示主要內(nèi)容POSIX線程（POSIX threads），簡稱Pthreads，是線程的POSIX標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了創(chuàng)建和操縱線程的一整套API，定義了一套C語言的類型、常量、函數(shù)，以pthread.h頭文件和一個(gè)線程庫實(shí)現(xiàn)。POSIX線程具有很好的可移植性，使用pthreads編寫的代碼可運(yùn)行于類Unix操作系統(tǒng)（Unix、Linux、Mac OS X等）中，Windows操作系統(tǒng)也有其移植版pthreads-win32。3 3LinuxThreads項(xiàng)目最初將多線程的概念引入了 Linux，但是 LinuxThreads 并不完全遵守 POSIX 線

2、程標(biāo)準(zhǔn)，并且存在設(shè)計(jì)的一些局限性;為了改進(jìn)Linux線程性能，IBM投資開發(fā) NGPT（Next-Generation POSIX Threads）項(xiàng)目，Red Hat主導(dǎo)本地化POSIX線程庫 (Native POSIX Thread Library，簡稱為NTPL)項(xiàng)目。大部分現(xiàn)代 Linux 發(fā)行版都預(yù)裝了 LinuxThreads 或 NPTL，要查看您的系統(tǒng)上正在使用的是哪個(gè)線程庫，請運(yùn)行下面的命令： $ getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION 這會(huì)產(chǎn)生類似于下面的輸出結(jié)果： NPTL 0.34 或者： linuxthreads-0.10程序（program）：

3、是存放在磁盤文件中的可執(zhí)行文件。使用6個(gè)exec函數(shù)中的一個(gè)由內(nèi)核將程序讀入存儲(chǔ)器，并使其執(zhí)行。進(jìn)程（process）：是資源管理的最小單位，是程序的執(zhí)行實(shí)例，是動(dòng)態(tài)過程。有些操作系統(tǒng)把任務(wù)和進(jìn)程同等看待，認(rèn)為任務(wù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，即執(zhí)行任務(wù)體的動(dòng)態(tài)過程。線程（thread）：是程序執(zhí)行的最小單位，比進(jìn)程更小的、能獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)度的基本單元，并以此來提高程序并行執(zhí)行的程度。5 5進(jìn)程存儲(chǔ)空間布局進(jìn)程管理著資源，如文件、內(nèi)存、CPU等；進(jìn)程的所有信息對該進(jìn)程的所有線程都是共享的，包括：可執(zhí)行的程序文本、程序的全局內(nèi)存、堆內(nèi)存、文件描述符等。線程獨(dú)有的包括：線程ID、寄存器值、棧、信號屏蔽字、errn

4、o值、線程私有數(shù)據(jù)。7 7一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程；一個(gè)進(jìn)程至少需要一個(gè)線程作為它的指令執(zhí)行體；典型的UNIX進(jìn)程可以看成是只有一個(gè)線程的進(jìn)程。Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口，稱為pthread。編寫Linux下的多線程程序，需要使用頭文件pthread.h，連接時(shí)需要使用庫libpthread.a。8 81、線程開銷更小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，總的說來，一個(gè)進(jìn)程的開銷大約是一個(gè)線程開銷的30倍左右。2、線程間通信更方便、快捷。同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個(gè)線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。3、使多CPU系統(tǒng)更加有效。操作系統(tǒng)會(huì)保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時(shí)

5、，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上。4、改善程序結(jié)構(gòu)。一個(gè)既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個(gè)線程，成為幾個(gè)獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，這樣的程序會(huì)利于理解和修改。同進(jìn)程一樣，每個(gè)線程也有一個(gè)線程ID進(jìn)程ID在整個(gè)系統(tǒng)中是唯一的，但線程ID不同，線程ID只在它所屬的進(jìn)程環(huán)境中有效線程ID的類型是pthread_t，在Linux中的定義： 在/usr/include/bits/pthreadtypes.h中 typedef unsigned long int pthread_t;1010pthread_self函數(shù)可以使調(diào)用線程獲取自己的線程ID函數(shù)原型#includepthread_t pthread_

6、self();返回調(diào)用線程的線程ID1111Linux中使用整型表示線程ID，而其他系統(tǒng)則不一定FreeBSD 5.2.1、Mac OS X 10.3用一個(gè)指向pthread結(jié)構(gòu)的指針來表示pthread_t類型。為了移植性，在比較兩個(gè)線程ID是否相同時(shí)，可以使用pthread_equal函數(shù)1212該函數(shù)用于比較兩個(gè)線程ID是否相同函數(shù)原型#includeint pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);若相等則返回非0值，否則返回01313進(jìn)程原語進(jìn)程原語線程原語線程原語描述描述forkpthread_create創(chuàng)建新的控制流exitpc

7、hread_exit從現(xiàn)有的控制流中退出waitpidpthread_join從控制流中得到退出狀態(tài)atexitpthread_cleanup_push注冊在退出控制流時(shí)調(diào)用的函數(shù)getpidpthread_self獲取控制流的IDabortpthread_cancel請求控制流的非正常退出pthread_create函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)線程函數(shù)原型#includeint pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);參數(shù)與返回值 t

8、hread：當(dāng)pthread_create成功返回時(shí)，該函數(shù)將線程ID存儲(chǔ)在thread指向的內(nèi)存區(qū)域中1515參數(shù)與返回值 attr：用于定制各種不同的線程屬性，將在后面部分討論。通?？稍O(shè)為NULL，采用默認(rèn)線程屬性 start_routine：線程的入口函數(shù)，即新創(chuàng)建的線程從該函數(shù)開始執(zhí)行。該函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，即arg，返回一個(gè)指針 arg：作為start_routine的第一個(gè)參數(shù) 成功返回0，出錯(cuò)時(shí)返回各種錯(cuò)誤碼1616新創(chuàng)建的線程，將繼承調(diào)用pthread_create函數(shù)的線程的信號屏蔽字，但新線程的未決信號集將被清除。1717進(jìn)程中任一線程調(diào)用exit、_Exit、_exit，都

9、會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程終止；當(dāng)線程接收到信號，若信號的處理動(dòng)作是終止進(jìn)程，則進(jìn)程將被終止（后面分析信號與線程的交互）；如何只終止某個(gè)線程，而不終止整個(gè)進(jìn)程？1818單個(gè)線程的三種退出方式 線程從啟動(dòng)例程中返回，返回值是線程的退出碼 線程被同一進(jìn)程中的其他線程取消 線程調(diào)用pthread_exit函數(shù)1919該函數(shù)讓線程退出#includevoid pthread_exit(void *rval_ptr);參數(shù) rval_ptr：與線程的啟動(dòng)函數(shù)類似，該指針將傳遞給pthread_join函數(shù)2020該函數(shù)用于等待某個(gè)線程終止函數(shù)原型#includeint pthread_join(pthread_t

10、thread, void *rval_ptr);調(diào)用該函數(shù)的線程將一直阻塞，直到指定的線程調(diào)用pthread_exit、從啟動(dòng)例程中返回、被取消2121返回值與參數(shù) 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號 thread：需要等待的線程ID rval_ptr： 若線程從啟動(dòng)例程返回，rval_ptr將包含返回碼 若線程由于pthread_exit終止，rval_ptr即pthread_exit的參數(shù) 若線程被取消，由rval_ptr指定的內(nèi)存單元就置為PTHREAD_CANCELED 若不關(guān)心線程返回值，可將該參數(shù)設(shè)置為NULL2222線程調(diào)用該函數(shù)可以取消同一進(jìn)程中的其他線程，即讓線程終止函數(shù)原型#in

11、cludeint pthread_cancel(pthread_t tid);參數(shù)與返回值 tid：需要取消的線程ID 成功返回0， 出錯(cuò)返回錯(cuò)誤編號2323在默認(rèn)情況下，pthread_cancel函數(shù)會(huì)使得線程ID等于tid的線程，如同其調(diào)用了參數(shù)為PTHREAD_CANCELED的pthread_exit線程可以選擇忽略取消方式或者控制取消方式，將在后面討論pthread_cancel并不等待線程終止，它僅僅是提出請求2424當(dāng)線程終止時(shí)，可以調(diào)用自定義的線程清理處理函數(shù)，進(jìn)行資源釋放等操作。類似于atexit函數(shù)。線程可以注冊多個(gè)清理處理函數(shù)，這些函數(shù)被記錄在棧中，它們的執(zhí)行順序與它們

12、的注冊順序相反。線程清理處理函數(shù)的注冊：#includevoid pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);2525參數(shù) rtn：清理函數(shù)，無返回值，一個(gè)類型為指針的參數(shù) arg：當(dāng)清理函數(shù)被調(diào)用時(shí)，arg將傳遞給清理函數(shù)清理函數(shù)被調(diào)用的時(shí)機(jī) 調(diào)用pthread_exit時(shí) 響應(yīng)取消請求時(shí) 以非0參數(shù)調(diào)用pthread_cleanup_pop時(shí)2626pthread_cleanup_push必須和pthread_cleanup_pop成對出現(xiàn)，而且出現(xiàn)的地方必須在同一個(gè)作用域內(nèi)函數(shù)原型 #include void pthread_

13、cleanup_pop(int execute);2727在默認(rèn)情況下，線程的終止?fàn)顟B(tài)會(huì)保存到對該線程調(diào)用pthread_join；pthread_detach函數(shù)可以使線程進(jìn)入分離狀態(tài)；若線程已經(jīng)處于分離狀態(tài)，線程的底層存儲(chǔ)資源可以在線程終止時(shí)立即被收回；當(dāng)線程被分離時(shí)，并不能用pthread_join函數(shù)等待它的終止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)pthread_join返回EINVAL。2828函數(shù)原型#includeint pthread_detach(pthread_t tid);參數(shù)與返回值 tid：進(jìn)入分離狀態(tài)的線程的ID 成功返回0，出錯(cuò)返回錯(cuò)誤編號2929代碼演示線程同步的概念互斥量死鎖讀寫鎖條件

14、變量3131為什么需要同步 對同一個(gè)存儲(chǔ)單元，至少存在兩個(gè)執(zhí)行體，其一讀該單元，另一寫該單元，則需要同步，避免不一致性 在處理器架構(gòu)中，對內(nèi)存單元的修改，可能需要多個(gè)總線周期，因此讀操作和寫操作有可能交織在一起3232假設(shè)讀操作需要一個(gè)總線周期寫操作需要兩個(gè)總線周期線程B和線程A沖突3333使用鎖，以保證共享存儲(chǔ)一次只能被一個(gè)線程訪問說明獲取、釋放鎖的過程3434通常，對一個(gè)存儲(chǔ)單元的訪問，要經(jīng)歷三個(gè)步驟 將內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)，讀入寄存器 對寄存器中的值進(jìn)行運(yùn)算 將寄存器中的值，寫回內(nèi)存單元無鎖時(shí)的情況3535可以通過使用pthread的互斥接口保護(hù)數(shù)據(jù)，確保同一時(shí)間里只有一個(gè)線程訪問數(shù)據(jù)互斥量

15、mutex，本質(zhì)上就是一把鎖 在訪問共享資源前，對互斥量進(jìn)行加鎖 在訪問完成后釋放互斥量上的鎖 對互斥量進(jìn)行加鎖后，任何其他試圖再次對互斥量加鎖的線程將會(huì)被阻塞，直到鎖被釋放3636互斥量在使用前，必須要對互斥量進(jìn)行初始化函數(shù)原型#includeint pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);參數(shù)與返回值 mutex：即互斥量，類型是pthread_mutex_t 注意：mutex必須指向有效的內(nèi)存區(qū)域 attr：設(shè)置互斥量的屬性，通?？刹捎媚J(rèn)屬性，即可將attr設(shè)為NULL。后面再

16、討論互斥量的屬性 成功返回0，出錯(cuò)返回錯(cuò)誤碼3737互斥量在使用完畢后，必須要對互斥量進(jìn)行銷毀，以釋放資源函數(shù)原型#includeint pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);參數(shù)與返回值 mutex：即互斥量 成功返回0，出錯(cuò)返回錯(cuò)誤碼3838在對共享資源訪問之前和訪問之后，需要對互斥量進(jìn)行加鎖和解鎖操作函數(shù)原型#includeint pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);3939當(dāng)使用pthr

17、ead_mutex_lock時(shí)，若已被加鎖，則調(diào)用線程將被阻塞。有沒有辦法讓線程不阻塞，即實(shí)現(xiàn)非阻塞的語義函數(shù)原型#includeint pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);調(diào)用該函數(shù)時(shí)，若互斥量未加鎖，則鎖住該互斥量，返回0；若互斥量已加鎖，則函數(shù)直接返回失敗，即EBUSY4040定義一個(gè)互斥量pthread_mutex_t調(diào)用pthread_mutex_init初始化互斥量調(diào)用pthread_mutex_lock或者pthread_mutex_tryplock對互斥量進(jìn)行加鎖操作調(diào)用pthread_mutex_unlock對互斥量解鎖

18、調(diào)用pthread_mutex_destroy銷毀互斥量4141若線程試圖對同一個(gè)互斥量加鎖兩次，那么它自身就會(huì)陷入死鎖狀態(tài)多個(gè)互斥量時(shí)，可能出現(xiàn)死鎖 一個(gè)線程鎖住互斥量A，等等待互斥量B解鎖 另一個(gè)線程鎖住B，而等待A 避免方法： 按照固定的順序?qū)コ饬窟M(jìn)行加鎖操作，如先鎖A，再鎖B 當(dāng)對互斥量加鎖順序的控制很困難時(shí)，可以先使用pthread_mutex_trylock，若不能獲取鎖，可釋放已占有的鎖4242讀寫鎖與互斥量類似，不過讀寫鎖允許更高的并行性互斥量只有兩種狀態(tài)：鎖住、不加鎖讀寫鎖三種狀態(tài) 讀模式下加鎖狀態(tài) 寫模式下加鎖狀態(tài) 不加鎖狀態(tài)一次只有一個(gè)線程可以占有寫模式的讀寫鎖、但多個(gè)

19、線程可以同時(shí)占用讀模式的讀寫鎖4343當(dāng)讀寫鎖是寫加鎖狀態(tài)時(shí)，解鎖之前，所有試圖對這個(gè)鎖加鎖的線程都會(huì)被阻塞當(dāng)讀寫鎖是讀加鎖狀態(tài)時(shí)，所有試圖以讀模式對它進(jìn)行加鎖的線程，都可以得到訪問權(quán)，但以寫模式進(jìn)行加鎖時(shí)，它必須阻塞直到所有的線程釋放讀鎖4444與互斥量一樣，讀寫鎖在使用之前，必須要初始化；使用之后，必須要銷毀函數(shù)原型int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);參數(shù)

20、 rwlock：讀寫鎖 attr：讀寫鎖屬性，若用默認(rèn)屬性，可設(shè)置為NULL。將在后面討論相關(guān)屬性4545該函數(shù)用于鎖定讀鎖函數(shù)原型#includeint pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);參數(shù)與返回值 rwlock：讀寫鎖 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號4646該函數(shù)用于鎖定寫鎖函數(shù)原型#includeint pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);參數(shù)與返回值 rwlock：讀寫鎖 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號4747該函數(shù)用于解除讀鎖或者寫鎖函數(shù)原型#includeint

21、pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);參數(shù)與返回值 rwlock：讀寫鎖 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號4848該兩個(gè)函數(shù)分別用于嘗試獲取讀鎖、寫鎖函數(shù)原型#includeint pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);參數(shù)與返回值 rwlock：讀寫鎖 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號?？梢垣@取鎖時(shí)，函數(shù)返回0；否則返回錯(cuò)誤EBUSY4949現(xiàn)有一需求，線程A先執(zhí)行某操作

22、后，線程B才能執(zhí)行另一操作，該如何實(shí)現(xiàn)？條件變量與互斥量一起使用時(shí)，允許線程以無競爭的方式等待特定條件的發(fā)生與互斥量類似，條件變量也需要初始化和銷毀5050函數(shù)原型#includeint pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr);int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t * cond);參數(shù)和返回值 cond：條件變量 attr：條件變量屬性，若為NULL，則使用默認(rèn)屬性 成功返回0，出錯(cuò)返回錯(cuò)誤編號5151pthread_cond_wait函數(shù)將使調(diào)用線程進(jìn)入阻塞狀

23、態(tài)，直到條件為真函數(shù)原型#includeint pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);參數(shù)與返回值 cond：條件變量 mutex：互斥量 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號 5252為什么pthread_cond_wait需要互斥量 在調(diào)用pthread_cond_wait前，需要使互斥量處于鎖住狀態(tài) 這樣pthread_cond_wait函數(shù)，可以以原子的方式，將調(diào)用線程放到等待條件的線程列表上pthread_cond_wait函數(shù)的特殊操作 在線程阻塞前，調(diào)用pthread_mutex_unlock 在線

24、程喚醒后，條用pthread_mutex_lock5353等待線程的操作順序 調(diào)用pthread_mutex_lock 調(diào)用pthread_cond_wait 調(diào)用pthread_mutex_unlock5454pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast可以通知等待的線程，條件已經(jīng)滿足。pthread_cond_signal喚醒某一個(gè)等待該條件的線程pthread_cond_broadcast喚醒等待該條件的所有線程5555函數(shù)原型#includeint pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *);參數(shù)與返回值 cond：條件變量 成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號5656等待線程 調(diào)用pthread_