线程 | 易学教程

典型进程只有一个控制线程，有多个控制线程后，进程在某一时刻能做不止一件事。
为每种事件类型分配单独的处理线程，可简化处理异步事件的代码。
多个线程可自动访问相同的存储地址空间和文件描述符。一个进程的所有信息对进程的所有线程共享。
分解问题从而提高程序吞吐量，单线程进程完成多任务需把任务串行化，而多线程中相互独立的处理可以交叉进行。
使用多线程可改善响应时间。
注：多线程程序在单处理器上运行也能改善响应时间和吞吐量。

1.1 线程机制分类和特性

用户级线程：用户级线程主要解决的是上下文切换的问题，它的调度算法和调度过程全部由用户自行选择决定。如果一个进程中的某一个线程调用了一个阻塞的系统调用函数，那么该进程包括该进程中的其他所有线程也同时被阻塞。主要缺点是无法发挥多处理器的优势。

轻量级线程：内核支持的用户线程，是内核线程的一种抽象对象。

内核线程：允许不同进程中的线程按照同一相对优先调度方法进行调度，这样就可以发挥多处理器的并发优势。

1.2 线程标识

每个线程有一个线程ID，线程ID只有在它所属的进程上下文中才有意义，用pthread_t数据类型表示，不能把它作为整数处理，用函数对两线程ID进行比较。

#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);
//相等返回非0值，否则返回0
pthread_t pthread_self(void);
//返回调用线程的线程ID

2 线程编程

2.1 线程基本编程

pthread_create：创建线程，实际上就是确定调用该线程函数的入口点。

pthread_exit：主动退出线程。使用线程函数时，不能随意使用 exit()退出函数进行出错处理，exit的作用是使调用进程终止，使用exit会使该进程中的所有线程都终止。

pthread_join：用于将当前线程挂起并等待线程结束，当函数返回时，被等待线程的资源就被收回。

pthread_cancel：在别的线程中终止另一个线程的执行，但在被取消的线程的内部需要调用pthread_setcancel函数和 pthread_setcanceltype函数设置自己的取消状态。

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,
                   const pthread_attr_t *restrict attr,
                   void *(start_rtn)(void *), void *restrict arg);
void pthread_exit(void *rval_ptr);
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
int pthread_cancel(pthread_t thread);
//成功返回0，出错返回错误码

tidp：线程标识符。

attr：线程属性设置，通常取为 NULL。

start_rtn：线程函数的起始地址，是一个以指向 void 的指针作为参数和返回值的函数指针。

arg：传递给start_rtn的参数。

rval_ptr：线程结束时的返回值的指针，可由其他函数如pthread_join来获取。

thread：等待线程的标识符。

rval_ptr：用户定义的指针，用来存储被等待线程结束时的返回值。

3 线程间的同步与互斥

POSIX中两种线程同步机制：互斥锁更适合用于同时可用的资源是惟一的情况；信号量更适合用于同时可用的资源为多个的情况。

3.1 互斥锁线程控制

互斥锁：用一种简单的加锁方法来控制对共享资源的原子操作。在同一时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程能够对共享资源进行操作。若其他线程希望上锁一个已经被上锁的互斥锁，则该线程就会挂起，直到上锁的线程释放掉互斥锁为止。

互斥锁初始化：pthread_mutex_init

互斥锁上锁：pthread_mutex_lock

互斥锁判断上锁：pthread_mutex_trylock

互斥锁接锁：pthread_mutex_unlock

消除互斥锁：pthread_mutex_destroy

互斥锁可分为3种：

快速锁：是指调用线程会阻塞直至拥有互斥锁的线程解锁为止。

递归互斥锁：能够成功地返回，并且增加调用线程在互斥上加锁的次数，

检错互斥锁：快速互斥锁的非阻塞版本，它会立即返回并返回一个错误信息。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
//成功返回0，否则返回错误编号

mutex：互斥锁。

attr：

PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：创建快速互斥锁。

PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建递归互斥锁。

PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建检错互斥锁。

死锁：若线程试图对同一个互斥量加锁两次，则它自身会陷入死锁状态。还有一种方式也能产生死锁：线程A占有互斥量A，并试图锁住互斥量B时阻塞，拥有互斥量B的线程B也在试图锁住互斥量A，两个线程都无法向前运行，也会产生死锁。
仔细控制互斥量加锁的顺序可避免死锁。如需要对互斥量A、B加锁，当所有进程都在加锁B之前先锁住A，则这两个互斥量不会产生死锁。或通过使用pthread_mutex_trylock接口避免死锁。

3.2 信号量线程控制

信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。Linux 实现了 POSIX 的无名信号量，主要用于线程间的互斥与同步。

sem_init用于创建一个信号量，并初始化它的值。

sem_wait()和 sem_trywait()都相当于 P 操作，在信号量大于零时它们都能将信号量的值减一，两者的区别在于若信号量小于零时，sem_wait()将会阻塞进程，而 sem_trywait()则会立即返回。

sem_post()相当于 V 操作，它将信号量的值加一同时发出信号来唤醒等待的进程。

sem_getvalue()用于得到信号量的值。

sem_destroy()用于删除信号量。

#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);
//成功返回0，出错返回-1

sem：信号量指针。

pshared：决定信号量能否在几个进程间共享。只能取 0，就表示这个信号量是当前进程的局部信号量。

value：信号量初始化值。

4 线程属性

4.1 概述

线程的多项属性都是可以更改的，主要包括绑定属性、分离属性、堆栈地址、堆栈大小以及优先级。其中系统默认的属性为非绑定、非分离、缺省 1M 的堆栈以及与父进程同样级别的优先级。

绑定属性：指一个用户线程固定地分配给一个内核线程，非绑定属性就是指用户线程和内核线程的关系不是始终固定的，而是由系统来控制分配的。

分离属性：用来决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在非分离情况下，当一个线程结束时，它所占用的系统资源并没有被释放，也就是没有真正的终止。在分离属性情况下，一个线程结束时立即释放它所占有的系统资源。

4.2 函数

pthread_attr_init：进行初始化。

pthread_attr_setscope：设置绑定属性。

pthread_attr_setdetachstate：设置线程分离属性的函数。

pthread_attr_getschedparam：获取线程优先级。

pthread_attr_setschedparam：设置线程优先级。

pthread_attr_destroy：函数对分配的属性结构指针进行清理和回收。

#include <pthread.h>
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope);
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
int pthread_attr_getschedparam (pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);
int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);
//成功返回0，出错返回错误码

scope：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（绑定），PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非绑定）。

detachstate：PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离），PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离）。

param：线程优先级。

5 生产者消费者实验

5.1 概述

“生产者消费者”问题是一个著名的同时性编程问题的集合。有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别不停地把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外缓冲区是临界资源，生产者和消费者之间必须互斥执行。

5.2 解决方案

*：线程优先级。

5 生产者消费者实验

5.1 概述

5.2 解决方案

使用 3个信号量，其中两个信号量 avail 和full 分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex 是用于这两个线程之间的互斥问题。其中 avail 表示有界缓冲区中的空单元数，初始值为 N；full 表示有界缓冲区中非空单元数，初始值为 0；mutex 是互斥信号量，初始值为 1。

来源：https://blog.csdn.net/qq_42097578/article/details/100133814

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