文章目录

• 一、线程的概念及实现
• • 1.1、线程的概念：
  • 1.2、线程的三种分类：
  • 1.3、线程和进程的区别：
• 二、Linux系统，线程实现的方法
• • 2.1线程库的接口介绍
• 三、线程同步
• • 3.1互斥锁
  • 3.2 （POSIX)信号量
  • 3.3 条件变量
  • 3.4 读写锁
• 四、线程安全

一、线程的概念及实现

1.1、线程的概念：

线程是进程内的一条执行路径或执行序列； 一个进程可以包含多条线程

1.2、线程的三种分类：

用户级：
创建开销小，由线程库直接管理， 无法使用多处理器资源

内核级：
创建开销大，由内核直接管理， 可以使用多处理器资源

组合模型：
既可以使用多处理器资源，又能创建多个

1.3、线程和进程的区别：

1. 进程是资源分配的最小单位； 线程是CPU调度的最小单位
2. 进程有自己独立的地址空间； 线程共享进程的地址空间
3. 进程的创建消耗资源大； 线程的创建消耗相对较小
4. 进程的切换开销大； 线程的切换开销较小

二、Linux系统，线程实现的方法

2.1线程库的接口介绍

头文件：#include <pthread.h>

1.创建线程

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, 
	void*(*start_routine)(void*), void *arg);

pthread_create(); 用于创建线程
thread：用于接收创建的线程的ID
attr：指定线程的属性；多为NULL
start_routine： 指定线程函数
arg： 给线程函数传递的参数； 成功返回0，错误返回错误码

2.退出线程

int pthread_exit(void* retval);  //退出线程

pthread_exit(); 退出线程
retval: 指定退出信息

3.等待线程退出

int pthread_join(pthread_t thread, void ** retal);

pthread_join() 等待thread指定的线程退出，线程未退出时该方法阻塞
retal : 接收thread线程退出时，指定的退出信息

三、线程同步

线程同步是指当一个线程在对临界资源进行操作时，其他线程都不可以对该资源进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能操作，也就是协同步调，让线程按照预定先后次序执行。

线程同步的四种方法：互斥锁、信号量、条件变量、读写锁

3.1互斥锁

1、概念： 用于保护关键代码段，确保在任一时刻只能有一个线程访问该资源，既保证在该时刻内其独占式的访问

2.互斥锁的基本API
以下这些函数成功时返回0，失败则返回错误码

1. 初始化互斥锁
   mutex: 指向要操作的目标互斥锁； 互斥锁的类型是 pthread_mutex_t 结构体
   mutexattr: 指定互斥锁的属性。如果设置为NULL， 则表示使用默认属性

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex, const pthread_mutexattr_t* mutexattr);

PS: 也可以这样初始化互斥锁（静态化初始锁）：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 实际上只是把互斥锁的各个字段都初始化为0

2. 加锁
   mutex: 同上， 指向要操作的目标互斥锁
   pthread_mutex_lock 函数以原子操作的方式给一个互斥锁加锁。
   若目标互斥锁已经被加锁， 则该方法的调用将阻塞， 直到该互斥锁的占有者将其解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);

3. 解锁
   mutex: 同上，指向要操作的目标的互斥锁
   pthread_mutex_unlock 函数以原子操作的方式给一个互斥锁解锁。若此时有其他线程正在等待这个互斥锁， 则这些线程中的某一个将获得它

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);

4. 销毁互斥锁
   mutex: 同上，指向要操作的目标互斥锁
   pthread_mutex_destory 函数用于销毁互斥锁。是释放其占用的内核资源。销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t* mutex);

3.2 （POSIX)信号量

以下这些函数成功时返回0，失败则返回-1并设置errno

1. sem_init 函数
   初始化一个未命名的信号量;
   sem : 指向被操作的信号量
   pshared 指定信号量的类型。若为0，表示这个信号量是当前进程的局部信号量， 否则该信号量就可以在多个进程之间共享。
   value： 指定信号量的初始值（1 或 0）
   若初始化一个已经被初始化的信号量将导致不可预期的结果

#include<semaphore.h>
int sem_init(sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);

2. sem_wait 函数
   以原子操作的方式将信号量的值 减1
   若信号量的值为0，则该函数阻塞，直到这个信号量具有非0值
   sem : 同上，指向被操作的信号量

int sem_wait(sem_t* sem);

3. sem_post 函数
   以原子操作的方式将信号量的值 加1
   当该信号量的值大于0时， 其他正在调用sem_wait 等待信号量的线程将被唤醒
   sem : 同上，指向被操作的信号量

int sem_post(sem_t* sem);

4. sem_destory 函数
   用于销毁信号量，释放其占用的内核资源
   若销毁一个正在被其他线程等待的信号量，将导致不可预期的结果
   sem : 同上，指向被操作的信号量

int sem_destory(sem_t* sem);

3.3 条件变量

条件变量提供了一种线程间的通知机制；当某个共享数据达到某个值的时候，唤醒等待这个共享数据的线程
（成功返回0； 失败返回错误码）

1. pthread_cond_init 函数
   用于初始化条件变量
   cond: 指向要操作的目标条件变量； 条件变量的类型：pthread_cond_t 结构体
   cond_attr: 指定条件变量的属性； 若为NULL， 则使用默认属性

int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond, pthread_conattr_t* cond_attr);

2. pthread_cond_signal 函数
   用于唤醒一个等待目标条件变量的线程
   cond: 同上，指向要操作的目标条件变量

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);

3. pthread_cond_broadcast 函数
   以广播的方式唤醒所有等待目标条件变量的线程
   cond： 同上，指向要操作的条件变量

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond);

4. pthread_cond_wait 函数
   用于等待目标条件变量
   cond： 同上，指向要操作的条件变量
   mutex: 用于保护条件变量的互斥锁，确保pthread_cond_wait 操作的原子性
   在调用该函数前，必须保证互斥锁 mutex 已经加锁；
   该函数执行时，首先把调用线程放入条件变量的等待队列中，然后将互斥 mutex 解锁。当 pthread_cond_wait 函数成功返回时，互斥锁 mutex 将再次被锁上

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex);

5. pthread_cond_destory 函数
   用于销毁条件变量， 释放其占用的内核资源；
   销毁一个正在被等待的条件变量将失败并返回 EBUSY

3.4 读写锁

细化——锁； 分“读锁”、“写锁”

       未加锁   读加锁   写加锁
 读锁   Yes      Yes      No
 写锁   Yes      No       No

成功返回0； 失败返回错误码

1. 初始化读写锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t*rwlock, pthread_rwlockattr_t* attr);

2. 读——加锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

3. 写——加锁

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

4. 解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

5. 销毁锁

int pthread_rwlock_t_destory(pthread_rwlock_t* rwlock);

四、线程安全

多线程中无论调度顺序如何，最终的结果都是一样的、正确的。那么说这些线程是安全的

要点：

1. 对线程同步，保证同一时刻只有一个线程访问临界资源
2. 在多线程中使用线程安全的函数；安全的函数指：如果一个函数能被多个线程同时调用且不发生静态条件，则它是线程安全的
3. 线程安全问题大多是由全局变量及静态变量引起的，局部变量逃逸也可能导致线程安全问题。