详解【多线程与并发】之线程

目录

1、线程

1.1线程Thread

1.2线程特点

1.3线程函数的原型

1.4Linux对于pthread的API的支持

1.4.1创建一个线程

1.4.2线程的退出

1.5资源分离

2、线程的同步/互斥机制

2.1线程互斥锁

2.1.1初始化线程互斥锁

2.2线程互斥锁的PV 操作

2.2.1P 操作（上锁操作）

2.2.2V 操作（解锁操作）

2.2.3线程互斥锁的销毁操作

3、生产者消费者模型

4、线程条件变量

4.1线程条件变量API

4.1.1初始化/销毁条件变量

4.1.2等待一个条件变量

4.1.3唤醒线程/触发条件变量

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1、线程

前面讲到进程：为了并发执行任务（程序），现代操作系统才引进 进程 的概念

分析：

• 创建开销问题：创建一个进程开销：大
  • 子进程需要拷贝父进程的整个地址空间
• 通信开销问题：进程间的通信
  • 需要用第三方（如：内核）
  • P1 -> copy -> 内核 -> copy -> P2
  • 进程间通信代价或者开销也是很大的。进程的地址空间是独立，要通信的话需要用第三方的空 间。

于是，就有人提出能不能在 同一个（同一个进程内部）进程地址空间中进行任务的并发：线程/轻量级进程

1.1线程Thread

线程是一个比进程更小的活动单位。它是进程中的执行路径（执行分支），线程也是并发的一种形式。 进程内部可以存在多个线程，它并发执行，但是进程内部的所有的线程共享整个进程的地址空间

main 函数：进程的主线程

1.2线程特点

• 创建一个线程要比创建进程开销要小很多
  • 因为创建一个线程的话，不需要拷贝进程的地址空间
• 实现线程间的通信会更加方便
  • 因为进程内部所有线程共享整个进程地址空间
• 线程也是一个动态概念：
  • 线程（进程）状态图        
    • 就绪态： ready
    • 运行态： running
    • 阻塞态： blocking
• 有了线程的概念之后
  • 系统的调度单位就从进程变为线程，资源的分配还是以进程为单位

线程是进程内部的一个指令的执行分支，多个线程就是多个指令序列的并发执行。这些指令必须在函数 内部，线程的指令部分肯定是封装一个函数的内部的。这个函数，就称之为：线程函数，一个线程在创 建之后，要执行的指令全部封装在该函数内部，这个线程函数执行完毕之后，该线程的任务也就执行完 了。

1.3线程函数的原型

Thread 的实现有多种，比较常见的为 POSIX 线程： pthread

1.4Linux对于pthread的API的支持

1.4.1创建一个线程

pthread_create ：创建一个线程（启动一个线程）

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>static int st_val = 0;/*线程函数：用于新线程创建之后调用的
*/
void *new_thread(void *data)
{for(;st_val < 20;st_val++){sleep(1);}st_val = 0;pthread_exit(&st_val);
}int main(int argc,const char *argv[])
{// 定义线程id的变量pthread_t tid;// 创建线程int ret = pthread_create(&tid,NULL,new_thread,NULL);if(ret == -1){perror("线程创建失败:");return -1;}// 等待子线程把st_val累加到一百while(1){if(st_val >= 20)break;std::cout << "st_val:" << st_val << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

1.4.2线程的退出

• 线程函数的退出（线程函数的返回）
• 在线程执行的任意时刻调用 pthread_exit
• 
• 被别人干掉
  • cancel ：被别人取消（其他线程调用 pthread_cancel ）
    • t1:pthread_cancel(t2)
      • t1 调用取消函数，取消 t2 , t2 不一定会被取消
        • 因为 t2 能不能被其他线程取消，取决于 t2 线程的一个属性： 取消属性
          • 它是否可以被 cancelled
    • 

    • #include <iostream>
      #include <pthread.h>
      #include <unistd.h>static int st_val = 0;/*线程函数：用于新线程创建之后调用的
      */
      void *new_thread(void *data)
      {int oldstate;pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE,&oldstate);for(;st_val < 20;st_val++){sleep(1);}st_val = 0;
      }int main(int argc,const char *argv[])
      {// 定义线程id的变量pthread_t tid;// 创建线程int ret = pthread_create(&tid,NULL,new_thread,NULL);if(ret == -1){perror("线程创建失败:");return -1;}// 等待子线程把st_val累加到一百while(1){if(st_val >= 20)break;std::cout << "st_val:" << st_val << std::endl;if(st_val == 5){pthread_cancel(tid);break;}sleep(1);}return 0;
      }
      

    • 这个属性叫做： 可以被取消属性
      • PTHREAD_CANCEL_ENABLE ：表示该线程可以被取消
      • PTHREAD_CANCEL_DISABLE ：表示该线程不能被取消
    • 

一个线程退出了，并不是所有资源都会释放。一个线程的退出，它资源释放全部被释放，取决于一个属 性

1.5资源分离

• detach ：分离属性：
  • ENABLE ： 分离资源属性
    • 该线程结束，它的所有资源都会自动释放。
  • DISABLE ： 不分离资源
    • 该线程结束，会有部分资源不会自动释放，需要其他线程调用 pthread_join 这个函数 才能完全释放。
    • 
  • 默认是不分离属性。
  • 
  • 

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>static int st_val = 0;/*线程函数：用于新线程创建之后调用的
*/
void *new_thread(void *data)
{// 进入线程函数第一时间就设置分离属性// pthread_detach(pthread_self()); // 设置了资源分离一般就不需要join了for(;st_val < 20;st_val++){sleep(1);}st_val = 0;pthread_exit(&st_val);
}int main(int argc,const char *argv[])
{// 定义线程id的变量pthread_t tid;// 创建线程int ret = pthread_create(&tid,NULL,new_thread,NULL);if(ret == -1){perror("线程创建失败:");return -1;}    std::cout << "等待线程结束"<< std::endl;int *tid_ret_val = NULL;pthread_join(tid,(void**)&tid_ret_val);std::cout << "return value :" << *tid_ret_val << std::endl;return 0;
}

2、线程的同步/互斥机制

为了线程之间，能够去有序的访问共享资源，引用 信号量机制

• 信号量 ： System V 和 POSIX 信号量
• 线程互斥锁

2.1线程互斥锁

线程互斥锁也是 信号量 ，只不过线程互斥锁，存在于进程地址空间，用于线程间同步和互斥操作，线程 互斥锁它的效率相对信号量来说要高。

线程互斥锁：使用 pthread_mutex_t 的类型来描述一个锁

安装线程 POSIX 帮助手册： sudo apt-get install manpages-posix-dev // 安装posix 帮助手册

2.1.1初始化线程互斥锁

2.2线程互斥锁的PV 操作

2.2.1P 操作（上锁操作）

2.2.2V 操作（解锁操作）

2.2.3线程互斥锁的销毁操作

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>// 模拟内存
static int memory = 100;// 互斥锁
pthread_mutex_t  mutex;// 线程函数模拟病毒
void *thread_trylock(void *data)
{// 等待一秒，防止线程一进来就直接上锁sleep(1);// 记录自己抢占了多内存int self_memory = 0;// 循环条件while(memory > 0){// 上锁if(0 == pthread_mutex_trylock(&mutex)){// 中间的代码就是临界区memory -= 10;self_memory += 10;sleep(1);// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);std::cout << "嘿嘿！咱“尝试上锁病毒” 抢占了10字节内存!" << std::endl;}elsestd::cout << "哎！咱“尝试上锁病毒”没有抢内存！" << std::endl;sleep(1);}std::cout << "嘿嘿！咱“尝试上锁病毒” 总共抢占了"<< self_memory <<"字节内存！" << std::endl;return nullptr;
}void *thread_lock(void *data)
{// 等待一秒，防止线程一进来就直接上锁sleep(1);// 记录自己抢占了多内存int self_memory = 0;// 循环条件while(memory > 0){// 上锁pthread_mutex_lock(&mutex);// 中间的代码就是临界区memory -= 10;self_memory += 10;sleep(1);// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);std::cout << "嘿嘿！咱“死锁上锁病毒” 抢占了10字节内存！" << std::endl;sleep(1);}std::cout << "嘿嘿！咱“死锁上锁病毒” 总共抢占了"<< self_memory <<"字节内存！" << std::endl;return nullptr;
}void *thread_timedlock(void *data)
{// 等待一秒，防止线程一进来就直接上锁sleep(1);//等待的时间struct timespec tm;tm.tv_sec = 1;tm.tv_nsec = 0;// 记录自己抢占了多内存int self_memory = 0;// 循环条件while(memory > 0){// 上锁if(0 == pthread_mutex_timedlock(&mutex,&tm)){// 中间的代码就是临界区memory -= 10;self_memory += 10;sleep(1);// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);std::cout << "嘿嘿！咱“等待上锁病毒” 抢占了10字节内存!" << std::endl;}else{std::cout << "哎！难受  咱“等待上锁病毒” 等了一秒都没有抢占到内存！" << std::endl;}sleep(1);}std::cout << "嘿嘿！咱“等待上锁病毒” 总共抢占了"<< self_memory <<"字节内存！" << std::endl;return nullptr;
}int main()
{pthread_mutex_init(&mutex,NULL);pthread_t tid1;pthread_t tid2;pthread_t tid3;// 启动线程pthread_create(&tid1,NULL,thread_lock,NULL);pthread_create(&tid1,NULL,thread_trylock,NULL);pthread_create(&tid1,NULL,thread_timedlock,NULL);// 阻塞等待子线程结束// pthread_join(tid1,NULL);// pthread_join(tid2,NULL);// pthread_join(tid3,NULL);while(1);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

3、生产者消费者模型

生产者消费者模型：利用厂商和消费者关系，由生产者线程进行生产（产生任务），再由消费者线程消 费（执行任务），没有任务的时候，消费者等待生产者产生任务。

• 共享资源的互斥访问问题
  • 信号量/线程互斥锁
• 当缓冲区（生产者没有产出的时候）没有数据的时候，（消费者）应该怎么办？
  • 1. 不停的去测试，看有没有数据。
    • 轮询访问，但是轮询有缺陷：一直在访问，浪费CPU资源。轮询有时间差，占用总线： Is always busy
  • 让出CPU,当有数据的时候，再唤醒我（ wake up ）,线程条件变量： 同步

4、线程条件变量

线程条件变量：在多线程程序设计中，可以用 条件变量 为表示一个特定的条件或者是事件

pthread_cond_t ：来描述一个条件变量（类型）

至于条件变量，到底是一个什么事件或者说表示一个什么条件？完全由程序猿去解释这个条件变量所代 表的含义

在条件变量上的三种操作：

• 初始化
• 等待一个条件变量（等待该条件变量所表示的事件）
• 唤醒一个线程/触发条件变量（唤醒了正在等待该事件的线程）

4.1线程条件变量API

4.1.1初始化/销毁条件变量

4.1.2等待一个条件变量

4.1.3唤醒线程/触发条件变量

注意：广播唤醒和单个唤醒的区别

• 广播唤醒：唤醒所有等待的线程，去执行任务，但是任务可能不够分，那么没分到的线程继续休眠
• 单个唤醒：随机唤醒一个线程执行任务，其他线程继续休眠。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using std::vector;// 线程互斥锁
pthread_mutex_t mutex;// 条件变量
pthread_cond_t cond;// 公共资源
FILE *file=NULL;
std::string str;// 消费者
void *NiuMa(void *data)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);// 等待条件变量：任务pthread_cond_wait(&cond,&mutex); // 这里卡死不是循环的卡死，休眠，让出了CPUif(str == "退出"){pthread_mutex_unlock(&mutex);     pthread_exit(NULL);}std::cout << fwrite(str.c_str(),str.size(),1,file) << std::endl;pthread_mutex_unlock(&mutex);std::cout << pthread_self() << "线程：成功写入内容：<" << str << "> "<< std::endl;}}// 主线程：生产者
int main()
{// 初始化pthread_mutex_init(&mutex,NULL);pthread_cond_init(&cond,NULL);// 打开文件file = fopen("./1.txt","w+");vector<pthread_t> tids(10);// 创建10个线程for(int i = 0;i < 10;i++){pthread_create(&tids[0],NULL,NiuMa,NULL);}// 通过输入来发布任务while(1){std::cout << "请输入内容:" ;pthread_mutex_lock(&mutex);std::cin >> str;pthread_mutex_unlock(&mutex);if(str == "退出"){pthread_cond_broadcast(&cond);break;}// 唤醒线程pthread_cond_signal(&cond);sleep(1);}for(int i = 0;i < 10;i++){pthread_join(tids[0],NULL);}pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);fclose(file);return 0;
}