linux下多线程

linux下多线程

linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，连接时需要使用库libpghread.a。
这里选择一些常用的线程函数进行简单的分析和练习，以使自己对linux下多线程有一定的认识。
注意：随着时间的推移，很多东西可能不再适用，当前的版本信息如下。

• linux内核版本:

  uname -r
  4.4.0-59-generic

• gcc版本

  gcc –version
  gcc (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.4) 5.4.0 20160609

1 多线程依赖头文件

#include <pthread.h>

2 线程id 线程id用来唯一标识每一个线程，在操作系统级别具有唯一性，类型是pthread_t，其值由创建线程函数pthread_create赋予。

pthread_t的定义在/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/pthreadtypes.h中，具体定义是
typedef unsigned long int pthread_t;

3 线程属性

对于每一个线程来说，都有线程属性，属性包括许多属性，且属性不能直接设置，需要通过相关的函数进行设置。
pthread_attr_init用来将每一个属性设置为默认值，函数中会申请一些其他资源，需要通过pthread_attr_destroy来释放。

3.1 作用域

作用域表示的是新创建的线程与其他线程竞争资源的范围，有两种取值，一种为PTHREAD_SCOPE_SYSTEM，表示新创建的线程于操作系统内所有其他线程竞争资源，另外一个取值是PTHREAD_SCOPE_PROCESS，表示的是新创建的线程与该进程创建的其他属性值为PTHREAD_SCOPE_PROCESS的线程竞争资源。

int pthread_attr_getscope(const pthread_attr_t *attr, int* scope);
用来获取属性结构体attr中作用域的值，执行成功，scope的值会被设置为作用域的值，返回0，否则返回非0值。

int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope);
用来将属性结构体attr中作用域的值设置为指定作用域，即参数scope的值。执行成功，attr中的作用域会被修改为scope的值，返回0，否则返回非0。以下两种情况pthread_attr_setscope会执行失败。
* EINVAL 指定了错误的scope值。
* ENOTSUP 指定了PTHREAD_SCOPE_PROCESS，目前linux系统不支持。

扫描二维码关注公众号，回复： 1047256 查看本文章

下面一个简单的demo用来介绍两个函数的使用方法:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
#include <errno.h>

// 报错处理，将错误信息展示给用户
#define handle_error_eno(eno, msg)          \
        do { errno = eno; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); }while(0)                            

/**
 * @free_resource 释放资源，避免非正常退出时资源未正常释放。
 *
 * @param exitno exit执行时的退出号
 * @param resource 释放的资源，该用例中仅为线程属性attr
 */
void free_resource(int exitno, void* resource)
{
    if (exitno != EXIT_SUCCESS)
    {
        printf("非正常退出，准备释放attr...");
        if (pthread_attr_destroy((pthread_attr_t *)resource) != 0)
        {
            printf("attr释放失败，请检查原因!\n");
        }
        else
            printf("attr释放成功，退出!\n");
    }
}


int main(void)
{
    pthread_attr_t attr;
    int scope;
    int eno = 0;

    //POSIX中为pthread_attr_init指定了错误ENOMEM，但实际上在linux的实现中，不会失败，因为linux中采用数组保存各个属性的值。
    eno = pthread_attr_init(&attr);
    if (eno != 0)
        handle_error_eno(eno, "多线程属性值初始化失败\n");//这里退出时还没有注册退出函数，所以不会有问题。                                    

    //从这里开始attr已经有值，为了避免异常退出导致的资源非正常释放，这里注册退出时处理函数
    eno = on_exit(free_resource, (void*)&attr); 
    if (eno != 0)
        handle_error_eno(eno, "注册异常退出函数失败"); //这里退出时退出函数注册失败，所以也不会有问题。                                        

    //获取系统为该线程初始化的scope的默认值。
    eno = pthread_attr_getscope(&attr, &scope);
    if (eno != 0)
        handle_error_eno(eno, "多线程获取scope属性值失败");

    if (PTHREAD_SCOPE_SYSTEM == scope)
        printf("pthread_attr_init初始化的scope值是PTHREAD_SCOPE_SYSTEM!\n");
    else if (PTHREAD_SCOPE_PROCESS == scope)
        printf("pthread_attr_init初始化的scope值是PTHREAD_SCOPE_PROCESS!\n");
    else
        assert(false);//理论上来说scope应该只有两个取值。

    //将scope设置为无效的值99，看实际执行情况。
    eno = pthread_attr_setscope(&attr, 99);
    if (eno != 0)
    {
        errno = eno;
        perror("99不能设置为scope的值");
    }
    else
    {
        eno = pthread_attr_getscope(&attr, &scope);
        if (eno != 0)
            handle_error_eno(eno, "socpe的值设置为99后获取scope值失败");
        else
            printf("99也是scope的可用值!\n");
    }

    //为scope设置为PTHREAD_SCOPE_SYSTEM，看实际执行情况。
    eno = pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
    if (eno != 0)
    {
        errno = eno;
        perror("将scope设置为PTHREAD_SCOPE_SYSTEM失败");
    }
    else
    {
        eno = pthread_attr_getscope(&attr, &scope);
        if (eno != 0)
            handle_error_eno(eno, "多线程获取scope属性值失败");
        else
            printf("PTHREAD_SCOPE_SYSTEM是scope的可用值!\n");
    }

    //为scope设置为PTHREAD_SCOPE_PROCESS，看实际执行情况。
    eno = pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_PROCESS);
    if(eno != 0)
    {
        errno = eno;
        perror("将scope设置为PTHREAD_SCOPE_PROCESS失败");
    }
    else
    {
        eno = pthread_attr_getscope(&attr, &scope);
        if (eno != 0)
            handle_error_eno(eno, "多线程获取scope属性值失败");
        else
            printf("PTHREAD_SCOPE_PROCESS是scope的可用值\n");
    }

    //POSIX中为pthread_attr_destroy指定了错误ENOMEM，但实际上在linux的实现中，不会失败，因为linux中采用数组保存各个属性的值。
    eno = pthread_attr_destroy(&attr);
    if (eno != 0)
        handle_error_eno(eno, "多线程属性值销毁失败");

    return 0;
}

检验方法：
将上面的代码保存到文件pthread_attr_scope.c中后执行命令
gcc -pthread pthread_attr_scope.c -o pthread_attr_scope.out编译链接。

执行./pthread_attr_scope.out后的输出为:
pthread_attr_init初始化的scope值是PTHREAD_SCOPE_SYSTEM!
99不能设置为scope的值: Invalid argument
PTHREAD_SCOPE_SYSTEM是scope的可用值!
将scope设置为PTHREAD_SCOPE_PROCESS失败: Operation not supported

属性总结：
1 该输出验证了linux下不支持将scope属性设置为PTHREAD_SCOPE_PROCESS。
2 在linux下，该属性不需要单独设置。
3 设置该属性前，最好写个小demo测试下该平台是否支持该属性的设置，避免无用的代码。

3.2 CPU亲缘性

对于早期的单核单线程操作系统来说，操作系统是通过cpu的轮转来实现所谓的并行，带来了响应速度上的提升，但同时相对来说也带来了实际执行时间的延长。
现代cpu大多具有多个线程，而且部分cpu还有超线程能力，但对于目前操作系统上运行的众多程序来说，cpu线程数依然不足，所以通常来说，操作系统依然是通过调度算法，选择某个cpu线程来完成你所需要完成的某个任务，也就是说，在很多情况下，你的程序可能会在不同的cpu线程之间切换。
在大多数情况下，这是完全没有问题的，甚至可以说这是效率更高的，因为操作系统更了解目前系统的运行情况，会比较智能的选择较为空闲的cpu线程来执行你的程序，避免某些cpu线程运行压力极大而其他cpu线程闲置的问题。
但某些特殊情况，人为的控制程序在某个或某些cpu线程上运行，会提供不错的性能提升。

这里为了避免我们创建的线程和cpu线程混淆，我们之后都成cpu线程为cpu，而我们要用代码创建的线程成为线程。
注：这里举一个简单的例子来介绍cpu数目/cpu内核数/cpu线程数，某款cpu具有4核8线程，这里就是说，一个cpu，有4个内核，而且由于cpu具有超线程能力，有8个可用线程。因此，理论上来说这样的机器我们就有8个cpu可用，但实际上在很多时候并不能达到8个物理cpu的效率，这里是因为线程与线程之间/内核与内核之间有些东西是共享的，因此很多时候某个线程/内核工作的时候，其他线程/内核并不能同时工作。例如：cpu缓存，对外连接的通道等等。

例如：
1 将某个线程绑定到某个cpu上，其他的线程绑定到其他cpu上，可以获取更快的响应速度和更多的执行时间。
2 将某些线程绑定到某个或某几个cpu上，可以通过共享cpu Cache的方式提升性能。(这里涉及到一些概念，一级数据缓存，一级指令缓存，二级缓存，三级缓存等，这里提供一些参考文档。)
七个例子帮你更好的理解cpu缓存
每个程序员都应该了解的CPU高速缓存
3 可以测试一些程序的瓶颈，比如某些程序在使用多个cpu时表现更好，当cpu个数达到一定程度时，反而会导致性能的下降。
4 未完待续…

综上所述，我们可以简单的认为cpu亲缘性是指该线程/进程与哪些cpu更为亲近，或者更干脆的认为cpu亲缘性就是指我们人为的将线程/进程绑定在某些/某个cpu上，从而让其避免切换到之外的cpu上执行，使cpu缓存失效。为了更方便的理解，我们从这里开始将cpu亲缘性称为绑定属性。

那么，一个线程如果绑定到所有 可用的 cpu上，我们称之为一个cpu集合(这个集合中包含了所有可用的cpu)，那么理论上我们可以说，若线程执行时间足够长，该线程可以切换到任意一个可用的cpu上执行。我们假设这个集合是全集，那么也就是说，我们可以通过调整这个集合中的cpu，来实现将线程绑定在不同的cpu集合上，更极端的是，若集合内只有一个cpu时，我们就实现了将该线程绑定在某个cpu上的任务。
上面我们讲的cpu集合，已经有人为我们想到了，对应的数据结构是cpu_set_t，这个结构中存储着我们可用的cpu，对应的，有一系列的宏函数来让我们操作这个集合，比如:
1 CPU_ZERO来清空集合内所有的cpu。
2 CPU_SET将某个cpu添加到集合中。
3 CPU_ISSET判断某个cpu是否在集合中。
4 CPU_CLR将某个cpu从集合中剔除。
5 CPU_COUNT获取集合内cpu的个数。
6 CPU_ALLOC申请一个足够存放n个cpu的集合。
7 CPU_FREE释放对应的cpu集合。
等等，对应的还有更为安全的用法，以_S结尾，这些都可以去man手册中去查看。
注：如果有心试验一下的话，会发现当计算机只有8个线程时，9/10甚至1023都是可以添加到集合中的，因此并不能用CPU_ISSET来检查操作系统具体有多少个cpu，这里推荐两个函数来判断计算机有多少个cpu和有多少个可用的cpu。

#include <sys/sysinfo.h>
int get_nprocs(void);//多少个可用cpu
int get_nprocs_conf(void);//多少个cpu
//仅可在linux下执行，Windows请查看对应的API。

int pthread_attr_getaffinity_np(const pthread_attr_t *attr, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);
用来获取线程属性cpu亲和性的值，从线程数性结构体attr中获取，结果存储在cpuset中，当执行成功返回0，否则返回非0。注意：cpuset必须有空间，例如:

    cpu_set_t *cpusetp = CPU_ALLOC(N);

或者

    cpu_set_t cpuset;
    &cpuset;

注：以上代码并不能执行，这里只是为了解释cpuset必须有实际空间，避免段错误。

int pthread_attr_setaffinity_np(pthread_attr_t *attr, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
用来设置线程属性cpu亲和性的值，将线程属性设置为绑定cpuset中的cpu，成功返回0，失败返回非0。

下面一个简单的demo用来介绍两个函数的使用方法:

2 pthread_create

2.1 函数功能

创建线程

2.2 函数原型

int pthread_create(pthread_t thread, const pthread_attr_t *attr, void (start_routine) (void ), void *arg);

2.3 参数说明

• pthread_t *thread
  输出参数，线程id的地址，函数pthread_create会为新创建的线程指定对应的线程id。

• const pthread_attr_t *attr
  pthread_attr_t的定义在/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/pthreadtypes.h中，具体定义是
  union pthread_attr_t
{
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T];
long int __align;
};
  __SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T的值也在/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/pthreadtypes.h中定义，具体值由一些宏控制，可能为56/32/36。
  线程属性包括许多属性，属性不能直接设置，需要通过相关的函数进行设置，pthread_attr_init用来完成对属性的初始化，初始化后所有属性为操作系统实现支持的所有属性的默认值。pthread_attr_init需要在pthread_create之前调用。
  对于某些值如果不想使用默认值，可以调用该属性的设置方法来为该重性重新赋值，一般为pthread_attr_xxx。
  pthread_attr_destroy用来在属性不再需要的时候释放属性内所有资源。

• void (*start_routine) (void )
  线程起始函数，即新创建的函数从该函数开始执行。

• void *arg
  线程函数所需参数。