C 语言编程 — pthread 线程操作

Posted 2023-03-12 范桂飓

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• pthread
• 线程安全与线程非安全
• C 语言的线程非安全函数（不可重入函数）

pthread

pthread 是一个 C 线程库，提供了一组借口用于创建、管理和同步线程。

• pthread_create()：用于创建一个新的线程，并将其加入到 Caller（调用者）的线程池中。函数原型：

  • 线程标识符指针
  • 线程属性：用于指定线程属性，例如：调度策略、优先级等。
  • 线程函数指针：线程函数的返回值类型必须是 void* 类型，因为线程函数的返回值会被传递回 pthread_join() 中。
  • 传递给线程函数的参数

• pthread_join()：用于等待指定的线程终止，并将该线程的返回值传递给 Caller。如果线程已经终止，那么该函数会立即返回。函数原型：

  • 要等待的线程标识符
  • 线程返回值指针

• pthread_mutex_init()：用于初始化互斥锁。互斥锁是一种同步机制，用于保护共享资源不被多个线程同时访问。函数原型：

  • 互斥锁指针
  • 互斥锁属性：用于指定互斥锁的类型，例如：递归锁、非递归锁等。

• pthread_mutex_lock()：用于获取互斥锁。如果互斥锁已经被其他线程占用，那么该函数会阻塞当前线程，直到互斥锁被释放。函数原型：

  • 待获取互斥锁指针

• pthread_mutex_unlock()：用于释放互斥锁。如果当前线程持有该互斥锁，那么该函数会将互斥锁的状态设置为可用状态。函数原型：

  • 待释放互斥锁指针

• pthread_cond_init()：用于初始化条件变量。条件变量是一种同步机制，用于等待其他线程满足特定条件。函数原型：

  • 条件变量指针
  • 条件变量属性

• pthread_cond_wait()：用于等待条件变量满足的特定条件，该函数会先释放互斥锁，然后阻塞当前线程，直到其他线程调用pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast()。函数原型：

  • 条件变量指针
  • 与条件变量相关联的互斥锁指针

线程安全与线程非安全

多线程程序中，线程安全是必须要考虑的因素。

线程安全（Thread Safe）就是在多线程环境中，多个线程在同一时刻对同一份资源（e.g. 寄存器、内存空间、全局变量、静态变量 etc.）进行写操作（读操作不会涉及线程安全的问题）时，不会出现数据不一致。反正，则是线程非安全（None-Thread Safe）的。

为了确保在多线程环境中的线程安全，就要确保数据的一致性，即：线程安全检查。这是一种对资源写操作进行控制的方法论，最简单的方式就是保证多个线程对同一资源的读写顺序，即：加锁机制。

显然，线程安全检查的实现会带来一定的系统开销。相对的，在单线程环境中并不需要考虑线程安全的问题。这就引入了多线程和单线程的执行效率问题，很难一概而论，而是需要针对不同的场景进行性能的测试才可以得出结果。

C 语言的线程非安全函数（不可重入函数）

C语言中大部分函库函数都是线程安全的，但是也有几个常用函数是线程不安全的，也叫不可重入函数。

线程不安全函数原因：是因为这些系统函数使用了某些全局或者静态变量。我们知道，全局变量和静态变量分别对应内存中的全局变量区和静态存储区，这些区域都是可以跨函数跨线程访问的。一旦在多线程环境中使用，在没有加锁的情况下，对同一段内存块进行并发读写，就会造成 Segmentfault/CoreDump 之类的问题。

常见的线程不安全类型有两类：

1. 函数依赖了全局变量，并且会修改全局变量，如 rand() 函数的实现每次调用都会修改和读取一个全局的 INT。
2. 函数返回了静态变量，如 ctime() 函数。

C 语言的不可重入函数汇总：

C 语言常用的多线程库：一般是 pthread，当然也可以使用 GLIB 中的 gthread，上述的线程安全版本可以兼容这两个库开发的多线程程序。