第十一章 线程

11.3 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。
• 实现的时候可以用-一个结构来代表pthread_t数据类型。
• 两个线程ID进行比较的函数

#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tidl, pthread_t tid2);
//返回值：若相等，返回非0数值；否则，返回0

• 获得自身的线程ID的函数

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void) ;
//返回值：调用线程的线程D

11.4 线程创建

• 线程可以通过调用pthread_create函数创建。

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,
    const pthread_attr_t *restrict attr ,
    void * (*start_rn)(void *) , void *restrict arg);
//返回值：若成功、返回0；否则,返国错误编号

• 新创建线程的线程ID会被设置成tidp指向的内存单元。attr参数用于定制各种不同的线程属性。新创建的线程从start_rtn 函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg。
• 新创建的线程可以访问进程的地址空间，并且继承调用线程的浮点环境和信号屏蔽字，但是该线程的挂起信号集会被清除。
• 每个线程都提供errno的副本。

11.5 线程终止

• 如果进程中的任意线程调用了exit、_Exit或者_exit，那么整个进程就会终止。
• 线程退出方式：

1. 线程可以简单地从启动例程中返回，返回值是线程的退出码。
2. 线程可以被同一进程中的其他线程取消。
3. 线程调用pthread_exit。

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *rval_ptr);

• rval_ptr参数是一个无类型指针，与传给启动例程的单个参数类似。进程中的其他线程也可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针。

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
//返回值：若成功,返回0；否则，返回错误编号

• 调用线程将一直阻塞，直到指定的线程调用pthread-exit、从启动例程中返回或者被取消。
  如果线程简单地从它的启动例程返回，rvalptr就包含返回码。如果线程被取消，由rvalptr指定的内存单元就设置为PTHREAD_CANCELED。
• 可以通过调用pthread_join自动把线程置于分离状态，这样资源就可以恢复。如果线程已经处于分离状态，pthread_join调用就会失败，返回EINVAI。
• 如果对线程的返回值并不感兴趣，那么可以把rvalptr设置为NULL。

• 线程可以通过调用pthread_cancel函数来请求取消同一进程中的其他线程。

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t tid);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• 在默认情况下，pthread_cancel函数会使得由nid标识的线程的行为表现为如同调用了参数为PTHREAD_CANCELED的pthread_exit函数。但是，它仅仅提出请求。

• 线程可以安排它退出时需要调用的函数

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void(*rtm)(void*), void* ang);
void pthread_cleanup_pop(int execute);

• 当线程执行以下动作时，清理函数工作

1. 调用pthread_exit时
2. 响应取消请求时
3. 用非零execute参数调用pthread_cleanup_pop时

• 如果execute参数设置为0，清理函数将不被调用。
• pthread_cleanup_pop都将删除上次pthread_cleanup_push调用建立的清理处理程序。

• 可以调用pthread_detach分离线程。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

11.6 线程同步

• 当一个线程可以修改的变量，其他线程也可以读取或者修改的时候，我们就需要对这些线程进行同步.
• 程序使用变量的方式也会引起竞争，也会导致不一致的情况发生。

11.6.1互斥量

• 互斥变量是用pthread_mutex_t数据类型表示的。
• 在使用互斥变量以前，必须首先对它进行初始化，可以把它设置为常量PTHREADMUTEX_INITIALIZER（只适用于静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_mutex_init函数进行初始化。如果动态分配互斥量，在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t*restrict mutex，const pthread_mutexattr_t*restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);
//两个函数的返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• 要用默认的属性初始化互斥量，只需把attr设为NULL。

• 对互斥量进行加锁，需要调用pthread_mutex_lock。如果互斥量已经上锁，调用线程将阻塞直到互斥量被解锁。
• 对互斥量解锁，需要调用pthread_mutex_unlock。
• 如果调用pthread-mutex_trylock时互斥量处于未锁住状态，那么pthread mutex_trylock将锁住互斥量，不会出现阻塞直接返回0，否则pthread-mutex_trylock就会失败，不能锁住互斥量，返回EBUSY。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread mutex_t*mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*muter);
//所有函数的返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

11.6.2 避免死锁

• 在同时需要两个互斥量时，总是让它们以相同的顺序加锁，这样可以避免死锁。

11.6.3 函数pthread_mutex_timedlock

• pthread_mutex_timedlock互斥量原语允许绑定线程阻塞时间。在达到超时时间值时，pthread_mutex_timedlock不会对互斥量进行加锁，而是返回错误码ETIMEDOUT

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict tsptr);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

11.6.4 读写锁

• 读写锁有3种状态：读模式下加锁状态、写模式下加锁状态、不加锁状态。一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。
• 但是当一个线程试图以写模式获取锁时，读写锁会阻塞随后的读模式锁请求，避免读模式锁长期占用。
• 与互斥量相比，读写锁在使用之前必须初始化，在释放它们底层的内存之前必须销毁。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
//两个函数的返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• 也可使用PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER常量对静态分配的读写锁进行初始化
• 要在读模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_rdlock；要在写模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_wrlock。不管以何种方式锁住读写锁，都调用pthread_rwlock_unlock进行解锁

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• 读写锁原语的条件版本：

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//返回值：可以获取锁时，返回0；否则，返回错误EBUSY

11.6.5带有超时的读写锁

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict tsptr);
//返回值：若成功，返回0；若超时，返回 ETIMEOUT

11.6.6 条件变量

• 条件变量是线程可用的另一种同步机制，条件变量由互斥量保护，允许线程以无竞争的往事等待特定的条件发生。
• 条件变量上有两种基本操作：

1. 等待：一个线程因等待条件为真而处于等待在条件变量上，此时线程不会占用互斥量（等待条件前要锁住互斥量，等待过程中对互斥量
2. 解锁，等待到函数返回（条件改变或超时）后，互斥量再次被锁住）
   通知：另一个线程在使条件为真时，通知该条件变量的等待线程（在给等待线程发信号时，不需要占有互斥量）

• pthread_cond_t表示条件变量，初始化时，可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量，如果条件变量是动态分配的，则需要调用pthread_cond_init函数对其进行初始化。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• 使用 pthread_cond_wait 等待条件变量为真

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict tsptr);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• 有两个函数可以用于通知线程条件已经满足。pthread_cond_signal函数至少能唤醒一个等待该条件的线程，而pthread_cond_broadcast函数则能唤醒等待该条件的所有线程。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

11.6.7 自旋锁

• 自旋锁与互斥量类似，但它不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等阻塞状态。
• pthread_spinlock_t表示自旋锁，初始化和反初始化函数为：

#include<pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• pshared参数表示进程共享属性，表明自旋锁是如何获取的。如果它设为PTHREAD_PROCESS_SHARED，则自旋锁能被可以访问锁底层内存的线程所获取，即便那些线程属于不同的进程，情况也是如此。否则pshared参数设为PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，自旋锁就只能被初始化该锁的进程内部的线程所访问。
• 可以用pthread_spin_lock和pthread_spin_trylock函数对自旋锁进行加锁，前者在获取锁之前一直自旋，后者如果不能获取锁，就立即返回EBUSY错误。调用pthread_spin_unlock函数解锁：

#include <pthread.h>
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

11.6.8 屏障

• 屏障允许任意数量的线程等待，直到所有的线程完成处理工作，所有线程达到屏障后可以接着工作。
• 初始化和反初始化

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_init(pthread_barrier *restrict barrier, const pthread_barrierattr_t *restrict attr, unsigned int count);
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier *barrier);
//返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

• count参数指定在允许所有线程继续运行之前，必须到达屏障的线程数目。
• 使用pthread_barreir_wait函数来表明，线程已完成工作，准备等所有其他线程赶上来。

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);
//返回值：若成功，返回 0 或者 PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD；否则，返回错误编号