Linux系统编程（5）——线程

文章目录

• Linux系统编程（5）——线程
• 前言
• 一、线程是什么？
• 二、使用线程的一些函数
• 三、线程同步

前言

这是我自己的一个Linux系统编程学习路上的一个学习笔记，学习的过程中看过一些视频+博客，所以在学习过后根据记录的笔记来完成代码实现的过程中，可能会出现一大段文章内容和别人写的一样或者某些思想也会相同，如有侵权，请联系删除或者添加引用。（本文章不会作为商业用途）

一、线程是什么？

线程： LWP（light weight process)，轻量级进程，本质仍然是个进程（仅限于Linux操作系统成立）。
区别： 进程有独立的地址空间，拥有PCB。线程也拥有独立的PCB，但是没有独立的地址空间，它使用的是共享地址空间。在 Linux 操作系统下，线程是最小的执行单位，进程是最小分配资源的单位，可看成只有一个线程的进程。

ps -lf pid 指令查看指定某PID进程下的 LWP 线程号。

线程的优缺点：
1.优点：提高了程序的并发性、开销小、数据通信和共享数据方便。
2.缺点：库函数不稳定、gdb不支持调试、不支持信号。
总的来说，线程的优势非常显著，缺点对整个程序的影响不是很大。

二、使用线程的一些函数

pthread_t pthread_self(void);
//获取当前进程的 ID

 int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);
//创建线程
//thread：传出参数，创建成功后返回该线程的id。
//attr：设置线程属性，一般传NULL。使用系统默认属性。
//void *(*start_routine) (void *)：线程真正工作的函数
//arg：线程工作函数的参数

 void pthread_exit(void *retval);
 //将当前单个线程退出
 //retval：表示线程退出状态，通常传NULL。
 exit(0); //退出整个进程，该进程下所有的线程都会退出
 return ; //返回到调用位置

 int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
 //阻塞等待thread线程退出。此时该线程才算真正结束，它的内存空间也会被释放（被调用线程是非分离的）
 //retval：传出参数，获取线程退出状态。

int pthread_cancel(pthread_t thread);
//杀死(取消) thread 线程
//在要杀死的子线程对应的处理的函数的内部, 必须做过一次系统调用
//该函数杀死线程需要一个契机，当函数进入内核（到达一个取消点）杀死一个进程。
//如果没有到达取消点，该函数无效。但是可以在线程函数内部使用pthread_testcancel()添加一个取消点。
//成功被pthread_cancel()杀死的线程，能够被pthread_join()函数回收。

int pthread_detach(pthread_t thread);
//主线程与子线程分离，子线程结束后，资源自动回收。

线程属性： 对用户半透明，不想用户看到底层结构，但是可以通过相关函数对它进行配置。

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
//初始化线程属性
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
//销毁线程属性所占用的资源

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
//设置线程的属性是分离或者非分离
//attr：需要设置的线程属性变量
//detachstate：1.PTHREAD_CREATE_DETACHED 设置为分离属性；2.PTHREAD_CREATE_JOINABLE 设置属性为非分离
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
//获取线程属性变量的属性
//detachstate：传出参数，线程属性变量的属性值

也可以使用pthread_join()函数判断thread线程是否为分离状态，join能成功阻塞回收，说明没有分离；若是失败了，则说明已经分离了。

线程使用需要注意：
1.主线程退出而其他线程不退出，主线程应调用 pthread_exit() 函数。
2.避免僵尸线程：pthread_join()、pthread_detach、create时指定分离属性、不应当返回被回收线程栈中的值。
3.new() 和 mmap() 申请的内存可以被其他线程释放。
4.应避免在多线程模型中调用fork()，除非马上exec，子进程中只有调用fork()的线程存在，其他线程在子进程中均自动pthread_exit()掉。（不推荐线程中创建进程）
5.信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程中引入信号机制。用信号就不用多线程，用线程就不要用信号！

三、线程同步

同步： 协同步调，线程按照预定的先后次序执行。
指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其他线程为保证数据的一致性，不能调用该功能。

程序中数据混乱原因： 1.资源共享（独享资源则不会）；2.调度随机（意味着数据访问会出现竞争）；3.线程间缺乏同步机制。

线程同步方法： 1.互斥量 mutex，也称为互斥锁； 2.条件变量 cond ； 3.信号量

互斥锁 mutex 的使用
1. pthread_mutex_t lock;
//创建锁。本质为一个结构体，但在使用的过程中可以看作一个整数，取值为 0、1 。

2. int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
//初始化锁
//restrict：关键字，用来限定指针，表示由该指针指向的内存地址中内容的操作，只能由本指针完成
//attr：设置互斥锁的属性，一般传NULL，表示使用默认的互斥锁属性，默认属性为快速互斥锁 。
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
//静态创建互斥锁，其属性为默认属性。同pthread_mutex_init()的 attr 参数传NULL。

3.int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//加锁，表示要使用某个共享资源了
//如果把锁 lock 看成一个整数，加锁等同于 lock-- 操作。（此时 lock == 0)

4.访问共享数据

5.int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//解锁，表示自己对共享资源的使用已经完成，其他的线程可以使用该共享数据了。
//如果把锁 lock 看成一个整数，解锁等同于 lock++ 操作。（此时 lock == 1)

6.int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
//销毁互斥锁。由主线程决定什么时候销毁这把锁。

补充：
1.int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
//尝试加锁
//加锁成功的话，lock-- ，此时等同于pthread_mutex_lock()；加锁失败：返回，同时设置错误号errno为BUSY

2.读写锁：写独占，读共享
锁只有一把。但可以有两种模式：
(1). 以读的方式给数据加锁——读锁。
(2). 以写的方式给数据加锁——写锁。
写锁的优先级更高。
pthread_rwlock_t rwlock; //创建读写锁
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); //初始化读写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); //加写锁。改变共享数据的值的时候加锁，且只能加锁一次，即写独占。
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); //加读锁。读取共享数据的值的时候加锁，可以加无限制个，即读共享。（在我看来，在读数据的时候加不加这个锁似乎都不影响，希望大佬指正）
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); //解锁
pthread_rwlock_destroy(&rwlock); //销毁锁

3.死锁：不是一种锁，而是使用锁不恰当导致的现象：
（1）对一个锁反复加锁
（2）两个线程各自持有一把锁，去请求另一把锁。
所以我个人觉得，一个程序中尽量不要设置太多的锁。

互斥锁使用技巧：
尽量保证锁的粒度，越小越好。（访问共享数据前一步加锁，访问结束后立即解锁。）

条件变量的使用：条件变量本身不是锁，但通常结合锁的使用方式来使用。
1. pthread_cond_t cond;  //定义一个条件变量
2. int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
//初始化条件变量
//attr：条件变量属性，一般传NULL，使用系统默认。
   pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//等同于pthread_cond_init()函数的attr参数传NULL
3. int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //加锁
4. int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
//阻塞等待 cond 条件变量不为0。
//mutex：互斥量。因为pthread_cond_wait()函数做了以下三件事情：
//(1).阻塞线程
//(2).释放（解锁）已经掌握的互斥量 mutex；
//(3).当条件变量 cond 满足（cond != 0 ）时，线程被唤醒，同时对 mutex 进行加锁处理
5. int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); //解锁
6. int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
//如果把pthread_cond_wait()看成是让 cond-- 的函数，那么它让 cond++
//pthread_cond_signal——唤醒睡眠的线程，一次只能唤醒一个线程
   int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
//如果把pthread_cond_wait()看成是让 cond-- 的函数，那么它让 cond++
//pthread_cond_broadcast——唤醒睡眠的线程，一次唤醒所有睡眠的线程
例子：生产者和消费者模型：https://xmuli.blog.csdn.net/article/details/105885580

信号量的使用：
信号量：相当于初始化为 N 的互斥量。信号量和信号没有任何关系，可用于线程也可用于进程间同步
1.sem_t sem;//定义一个信号量
2.int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
//初始化信号量
//pshared：=0：为当前进程的所有线程共享； 其值不为0时，此信号量在进程间共享
//value：信号量的初始值
3.int sem_wait(sem_t *sem); //相当于加锁，sem--
4.int sem_trywait(sem_t *sem);//相当于尝试加锁
5.int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
//abs_timeout 指定一个阻塞的时间上限，如果调用因不能立即执行递减而要阻塞。
6.int sem_post(sem_t *sem); //相当于解锁，sem++
7.int sem_destroy(sem_t *sem);//销毁信号量，一般由主线程来完成信号量的销毁。
例子：同样可以使用生产者消费者模型。