Linux操作系统软件编程——多线程

什么是线程线程的定义是轻量级的进程可以实现多任务的并发。线程是操作系统任务调度的最小单位一个进程至少有一个线程线程的创建由某个进程创建且进程创建线程时会为其分配独立的栈区空间默认8M。线程和所在的进程以及进程中的其他线程共用进程的堆区、文本区、数据区kernel内核空间stack从高地址向低地址增长的栈区属于线程独享存放局部变量、函数的返回地址、函数的参数heap从低地址向高地址增长的堆区用户自行管理的空间使用时需要手动申请及释放map内存映射区存放动态共享库、文件映射、匿名映射bss未初始化及初始化为0的全局及静态变量data初始化为非0的全局及静态变量code只读代码段存放可执行的二进制程序线程的调度宏观并行微观串行进程和线程的区别进程线程定义正执行中的程序程序中的一条执行线路单位操作系统资源分配的最小单位操作系统任务调度的最小单位资源消耗资源消耗开销大每次创建都需要有0-4G的虚拟内存空间资源消耗开销较小只需要由所在进程为其开辟默认8M的栈区空间效率由操作系统创建创建耗时大跨进程调度慢由进程创建创建耗时小跨线程调度快通信通信复杂进程间不能直接通信需要使用进程间通信机制IPC通信简单可以使用线程共享的区域通信例如全局变量安全性安全性和稳定性较高因为各个进程空间独立安全性和稳定性较低一个线程异常可能影响同一进程中的线程线程相关编程线程的创建pthread_create()pthread_self()获取当前线程的ID号线程的调度由操作系统调度线程的凋亡1线程退出在线程任务函数中使用return结束线程或者调用pthread_exit()结束线程2线程回收pthread_join(tid,NULL)pthread_create()功能创建一个新的线程参数thread保存线程ID的变量地址attr线程属性的对象地址如果是NULL则按照默认属性创建void *(*start_routine)(void *)函数指针指向线程启动后要执行的任务指针名称start_routine指向的对象函数void *()(void *)即仅传函数名如果在函数名后加括号并传参则实际上传入的是该函数的返回值并非该函数arg为线程任务函数传递的参数如果不传参则传NULL如果要传入多个参数可以将多个参数组合到一起为一个结构体然后传入结构体地址返回值成功则为0失败则为!0需要注意的是在使用这个函数时需要在创建或者编译时加上后缀如图所示当进程中创建了线程不要直接退出进程线程之后就接return在return之前设立一个死循环或者sleep否则可能线程还未执行进程就优先结束连带着线程也结束下面的两种情形值得说明一下对于第一个参数它需要的是一个存放ID的变量即将该函数创建的线程的ID号存到变量中通过传入这个变量的地址来确定存到哪个变量中它并不是把这个变量的地址赋到一个指针中所以第二种情况是错误的因为此时的thread属于野指针会把ID号赋给这个指针程序出现段错误对于部分其他函数也会出现这种情况。pthread_exit()功能退出一个线程任务参数向回收的线程传递的参数的地址如果不传递参数则为NULLpthread_exit(NULL)等价于return NULLpthread_join()功能阻塞等待回收线程资源空间参数要回收的线程ID用来保存线程退出时传递的参数与上一个函数搭配NULL表示不接收传递的参数返回值成功为0失败为-1线程属性1分离属性不需要被其他线程回收的线程将来会被操作系统回收2非分离属性可以被其他线程回收或者结束的线程默认属性为非分离属性线程回收策略1分离属性的线程不需要回收没有空闲的线程可以帮忙回收2调用pthread_join阻塞回收int pthread_detach(pthread_t thread)功能将线程设置成分离属性的线程线程间通信临界资源多个线程可以同时访问的资源例如全局变量共享内存区域然而在多个线程在访问临界资源时会存在资源竞争问题如下如果按照代码正常思路最后输出应该是200000但是最后却输出199997这是由于对于全局变量n其中一个线程调用并进行操作还未将结果重新赋予时另一个线程也进行了调用导致两个线程赋予了同一个值。事实上数字越大越容易出现这种情况但是并不代表每次运行都会出现这种情况所以为了完全避免这种资源竞争问题需要用到互斥机制互斥机制——锁互斥机制多个线程访问临界资源时具有排他性访问的机制即一次只允许一个线程对该临界资源进行访问实现互斥机制的步骤1创建互斥锁pthread_mutex_t2初始化互斥锁pthread_mutex_init3锁上int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)4解锁int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)5销毁锁int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)pthread_mutex_init功能初始化互斥锁参数锁住对象的地址锁的属性如果是NULL则为默认属性返回值成功则为0失败则为-1所以上述的例子可改为死锁指的是在多线程环境中每个执行流线程都有未释放的资源且互相请求对方未释放资源从而导致陷入永久等待状态的情况。锁包括互斥锁、信号量、自旋锁、读写锁等等现象1没有释放锁2重复加锁3多线程多锁抢占锁资源不当例线程A获得了1锁B获得了2锁同时线程A向获得2锁B想获得1锁产生死锁的必要条件1互斥条件 一个资源只能被一个进程使用一个执行流获取锁后其他执行流不能再获取该锁2请求与保持条件一个进程因请求资源而阻塞时对已获得的资源保持不放执行流本身使用者一把锁并不释放还请求别的锁3不剥夺条件进程已获得的资源再未使用完之前不能强行剥夺A执行流拿着锁其他执行流不能释放4循环等待条件若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系多个执行流拿着对方想要的锁并且各执行流需要获取对方已持有的锁才能继续执行四个必要条件都达成时候一定是死锁有一种条件未达成时就构不成死锁死锁的预防1锁一定要成对出现即有pthread_lock就一定要有pthread_unlock2使线程的加锁顺序一致3破坏环路等条件。使用非阻塞锁一旦线程发现请求的锁被使用就去释放自己拥有的锁例如pthread_mutex_trylock()int sem_trywait(sem_t *sem)线程间的同步机制——信号量让多个线程再执行某个任务时具有先后顺序地执行而多线程、多进程本质是异步执行线程间的同步通过信号量实现步骤如下1定义信号量对象sem_t sem2初始化信号量sem_init()3PV操作申请信号量P释放信号量Vsem_wait()sem_post()4销毁信号量int sem_destroy(sem_t *sem)int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)功能对信号量进行初始化参数sem要初始化的信号量对象地址pshared0为线程间共享非0为进程间共享value信号量初始值如果是0则不执行1则执行返回值成功为0失败为-1int sem_wait(sem_t *sem)功能申请信号量int sem_post(sem_t *sem)功能释放信号量左侧为加了信号量的代码右侧为未加信号量的代码代码的公共区域未加信号量的代码是异步的没有先后输出顺序加了信号量的代码是同步的即有输出的先后顺序值得注意的是一定要先初始化再执行PV操作。为保证线程执行的顺序PV操作时P的是该线程的信号量并减一V的是下一个该执行的线程的信号量并加一在进行P操作时会进行阻塞即如果该信号量为0则会等待信号量变为1再执行一般来说pthread_join会放在sem_destroy之前来确保所有线程结束不会再有线程对信号量进行操作然后再进行信号量的销毁