【linux编程】pthread多线程

其他 2018-09-25 02:42:57 阅读次数: 0

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一、什么是线程？

      线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器，一组寄存器和栈)，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

二、什么时候使用多线程？

     当多个任务可以并行执行时，可以为每个任务启动一个线程。

三、线程的创建

     使用pthread_create函数。
    
[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新创建的线程ID  
  3.                __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//线程属性  
  4.                void *(*__start_routine) (void *),//新创建的线程从start_routine开始执行  
  5.                void *__restrict __arg)//执行函数的参数  
返回值：成功-0，失败-返回错误编号，可以用strerror(errno)函数得到错误信息

四、线程的终止

   三种方式
  • 线程从执行函数返回，返回值是线程的退出码
  • 线程被同一进程的其他线程取消
  • 调用pthread_exit()函数退出。这里不是调用exit，因为线程调用exit函数，会导致线程所在的进程退出。

一个小例子：

启动两个线程，一个线程对全局变量num执行加1操作，执行五百次，一个线程对全局变量执行减1操作，同样执行五百次。

[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <pthread.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <string.h>  
  6.   
  7. int num=0;  
  8. void *add(void *arg) {//线程执行函数，执行500次加法  
  9.     int i = 0,tmp;  
  10.     for (; i <500; i++)  
  11.     {  
  12.         tmp=num+1;  
  13.         num=tmp;  
  14.         printf("add+1,result is:%d\n",num);  
  15.     }  
  16.     return ((void *)0);  
  17. }  
  18. void *sub(void *arg)//线程执行函数，执行500次减法  
  19. {  
  20.     int i=0,tmp;  
  21.     for(;i<500;i++)  
  22.     {  
  23.         tmp=num-1;  
  24.         num=tmp;  
  25.         printf("sub-1,result is:%d\n",num);  
  26.     }  
  27.     return ((void *)0);  
  28. }  
  29. int main(int argc, char** argv) {  
  30.       
  31.     pthread_t tid1,tid2;  
  32.     int err;  
  33.     void *tret;  
  34.     err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//创建线程  
  35.     if(err!=0)  
  36.     {  
  37.         printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));  
  38.         exit(-1);  
  39.     }  
  40.     err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);  
  41.     if(err!=0)  
  42.     {  
  43.         printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));  
  44.          exit(-1);  
  45.     }  
  46.     err=pthread_join(tid1,&tret);//阻塞等待线程id为tid1的线程，直到该线程退出  
  47.     if(err!=0)  
  48.     {  
  49.         printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));  
  50.         exit(-1);  
  51.     }  
  52.     printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);  
  53.     err=pthread_join(tid2,&tret);  
  54.     if(err!=0)  
  55.     {  
  56.         printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));  
  57.         exit(-1);  
  58.     }  
  59.     printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);  
  60.     return 0;  
  61. }  
使用g++编译该文件（g++ main.cpp -o main)。此时会报错undefined reference to `pthread_create'。


报这个错误的原因是：pthread库不是linux默认的库，所以在编译时候需要指明libpthread.a库。

解决方法：在编译时，加上-lpthread参数。

执行结果：


乍一看，结果是对的，加500次，减500次，最后结果为0。但是仔细看所有的输出，你会发现有异样的东西。


    导致这个不和谐出现的原因是，两个线程可以对同一变量进行修改。假如线程1执行tmp=50+1后，被系统中断，此时线程2对num=50执行了减一操作，当线程1恢复，在执行num=tmp=51。而正确结果应为50。所以当多个线程对共享区域进行修改时，应该采用同步的方式。

五、线程同步

线程同步的三种方式：

1、互斥量

   互斥量用pthread_mutex_t数据类型来表示。
    两种方式初始化，第一种：赋值为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；第二种，当互斥量为动态分配是，使用pthread_mutex_init函数进行初始化，使用pthread_mutex_destroy函数销毁。
  
[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,  
  3.                    __const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);  
  4. int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);  
返回值：成功-0，失败-错误编号
  加解锁
加锁调用pthread_mutex_lock,解锁调用pthread_mutex_unlock。
[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex)；  
  3. int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex)；  

使用互斥量修改上一个程序（修改部分用红色标出）：
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *add(void *arg) {
    int i = 0,tmp;
    for (; i <500; i++)
    {
         pthread_mutex_lock(&mylock);
        tmp=num+1;
        num=tmp;
        printf("+1,result is:%d\n",num);
         pthread_mutex_unlock(&mylock);
    }
    return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)
{
    int i=0,tmp;
    for(;i<500;i++)
    {
         pthread_mutex_lock(&mylock);
        tmp=num-1;
        num=tmp;
        printf("-1,result is:%d\n",num);
         pthread_mutex_unlock(&mylock);
    }
    return ((void *)0);
}

2、读写锁

   允许多个线程同时读，只能有一个线程同时写。适用于读的次数远大于写的情况。
  读写锁初始化：
  
[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include<pthread.h>  
  2. int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,  
  3.                 __const pthread_rwlockattr_t *__restrict  
  4.                 __attr);  
  5. int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);  
返回值：成功--0，失败-错误编号

 加锁，这里分为读加锁和写加锁。

读加锁：
  
[cpp]  view plain copy print ?
  1. int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)  

写加锁：
 
[cpp]  view plain copy print ?
  1. int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)  

解锁用同一个函数：
[cpp]  view plain copy print ?
  1. int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)  

3、条件变量

条件变量用pthread_cond_t数据类型表示。
条件变量本身由互斥量保护，所以在改变条件状态前必须锁住互斥量。

条件变量初始化：

第一种，赋值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER；第二种，使用pthread_cond_init函数
[cpp]  view plain copy print ?
  1. int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,  
  2.                   __const pthread_condattr_t *__restrict  
  3.                   __cond_attr);  
  4. int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);  

条件等待

使用pthread_cond_wait等待条件为真。
[cpp]  view plain copy print ?
  1. pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,  
  2.               pthread_mutex_t *__restrict __mutex)  
这里需要注意的是，调用pthread_cond_wait传递的 互斥量已锁定，pthread_cond_wait将调用线程放入等待条件的线程列表，然后释放互斥量，在pthread_cond_wait返回时，再次锁定互斥量。

唤醒线程

pthread_cond_signal唤醒等待该条件的某个线程，pthread_cond_broadcast唤醒等待该条件的所有线程。
[cpp]  view plain copy print ?
  1. int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);  
  2.   
  3. int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)  

来一个例子，主线程启动4个线程，每个线程有一个参数i（i=生成顺序），无论线程的启动顺序如何，执行顺序只能为，线程0、线程1、线程2、线程3。
[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <pthread.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <string.h>  
  6. #define DEBUG 1  
  7.   
  8. int num=0;  
  9. pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  10. pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
  11. void * thread_func(void *arg)  
  12. {  
  13.     int i=(int)arg;   
  14.     int ret;  
  15.     sleep(5-i);//线程睡眠,然最先生成的线程，最后苏醒  
  16.     pthread_mutex_lock(&mylock);//调用pthread_cond_wait前，必须获得互斥锁  
  17.     while(i!=num)  
  18.     {  
  19. #ifdef DEBUG  
  20.         printf("thread %d waiting\n",i);  
  21. #endif  
  22.         ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//该函数把线程放入等待条件的线程列表，然后对互斥锁进行解锁，这两部都是原子操作。并且在pthread_cond_wait返回时，互斥量再次锁住。  
  23.         if(ret==0)  
  24.         {  
  25. #ifdef DEBUG  
  26.             printf("thread %d wait success\n",i);  
  27. #endif  
  28.         }else  
  29.         {  
  30. #ifdef DEBUG  
  31.             printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));  
  32. #endif  
  33.         }  
  34.     }  
  35.     printf("thread %d is running \n",i);  
  36.     num++;  
  37.     pthread_mutex_unlock(&mylock);//解锁  
  38.     pthread_cond_broadcast(&qready);//唤醒等待该条件的所有线程  
  39.     return (void *)0;  
  40. }  
  41. int main(int argc, char** argv) {  
  42.       
  43.     int i=0,err;  
  44.     pthread_t tid[4];  
  45.     void *tret;  
  46.     for(;i<4;i++)  
  47.     {  
  48.         err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);  
  49.         if(err!=0)  
  50.         {  
  51.             printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));  
  52.             exit(-1);  
  53.         }  
  54.     }  
  55.     for (i = 0; i < 4; i++)  
  56.     {  
  57.         err = pthread_join(tid[i], &tret);  
  58.         if (err != 0)  
  59.         {  
  60.             printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));  
  61.             exit(-1);  
  62.         }  
  63.     }  
  64.     return 0;  
  65. }  

在非DEBUG模式，执行结果如图所示：

在DEBUG模式，执行结果如图所示:

在DEBUG模式可以看出，线程3先被唤醒，然后执行pthread_cond_wait（输出thread 3 waiting)，此时在pthread_cond_wait中先解锁互斥量，然后进入等待状态。这是thread 2加锁互斥量成功，进入pthread_cond_wait(输出thread 2 waiting） ,同样解锁互斥量，然后进入等待状态。直到线程0，全局变量与线程参数i一致，满足条件，不进入条件等待，输出thread 0 is running。全局变量num执行加1操作，解锁互斥量，然后唤醒所有等待该条件的线程。thread 3 被唤醒，输出thread 3 wait success。但是不满足条件，再次执行pthread_cond_wait。如此执行下去，满足条件的线程执行，不满足条件的线程等待。

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