(转载)Step by Step：Linux C多线程编程入门(基本API及多线程的同步与互斥)

Posted 2020-09-19

 

介绍：什么是线程，线程的优点是什么

线程在Unix系统下，通常被称为轻量级的进程，线程虽然不是进程，但却可以看作是Unix进程的表亲，同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈(call stack)，自己的寄存器环境（register context)，自己的线程本地存储(thread-local storage)。 一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。

线程可以提高应用程序在多核环境下处理诸如文件I/O或者socket I/O等会产生堵塞的情况的表现性能。在Unix系统中，一个进程包含很多东西，包括可执行程序以及一大堆的诸如文件描述符地址空间等资源。在很多情况下，完成相关任务的不同代码间需要交换数据。如果采用多进程的方式，那么通信就需要在用户空间和内核空间进行频繁的切换，开销很大。但是如果使用多线程的方式，因为可以使用共享的全局变量，所以线程间的通信（数据交换）变得非常高效。

Hello World(线程创建、结束、等待）

创建线程 pthread_create

线程创建函数包含四个变量，分别为： 1. 一个线程变量名，被创建线程的标识 2. 线程的属性指针，缺省为NULL即可 3. 被创建线程的程序代码 4. 程序代码的参数 For example： - pthread_t thrd1; - pthread_attr_t attr; - void thread_function(void argument); - char *some_argument;

pthread_create(&thrd1, NULL, (void *)&thread_function, (void *) &some_argument);

结束线程 pthread_exit

线程结束调用实例：pthread_exit(void *retval); //retval用于存放线程结束的退出状态

线程等待 pthread_join

pthread_create调用成功以后，新线程和老线程谁先执行，谁后执行用户是不知道的，这一块取决与操作系统对线程的调度，如果我们需要等待指定线程结束，需要使用pthread_join函数，这个函数实际上类似与多进程编程中的waitpid。 举个例子，以下假设 A 线程调用 pthread_join 试图去操作B线程，该函数将A线程阻塞，直到B线程退出，当B线程退出以后，A线程会收集B线程的返回码。 该函数包含两个参数：

• pthread_t th //th是要等待结束的线程的标识
• void **thread_return //指针thread_return指向的位置存放的是终止线程的返回状态。

调用实例：pthread_join(thrd1, NULL);

example1：

 1 /*************************************************************************
 2     > File Name: thread_hello_world.c 
 3     > Author: couldtt(fyby)
 4     > Mail:  [email protected]
 5     > Created Time: 2013年12月14日 星期六 11时48分50秒
 6  ************************************************************************/
 7 
 8 #include <stdio.h>
 9 #include <stdlib.h>
10 #include <pthread.h>
11 
12 void print_message_function (void *ptr);
13 
14 int main()
15 {
16     int tmp1, tmp2;
17     void *retval;
18     pthread_t thread1, thread2;
19     char *message1 = "thread1";
20     char *message2 = "thread2";
21 
22     int ret_thrd1, ret_thrd2;
23 
24     ret_thrd1 = pthread_create(&thread1, NULL, (void *)&print_message_function, (void *) message1);
25     ret_thrd2 = pthread_create(&thread2, NULL, (void *)&print_message_function, (void *) message2);
26 
27     // 线程创建成功，返回0,失败返回失败号
28     if (ret_thrd1 != 0) {
29         printf("线程1创建失败\n");
30     } else {
31         printf("线程1创建成功\n");
32     }
33 
34     if (ret_thrd2 != 0) {
35         printf("线程2创建失败\n");
36     } else {
37         printf("线程2创建成功\n");
38     }
39 
40     //同样，pthread_join的返回值成功为0
41     tmp1 = pthread_join(thread1, &retval);
42     printf("thread1 return value(retval) is %d\n", (int)retval);
43     printf("thread1 return value(tmp) is %d\n", tmp1);
44     if (tmp1 != 0) {
45         printf("cannot join with thread1\n");
46     }
47     printf("thread1 end\n");
48 
49     tmp2 = pthread_join(thread1, &retval);
50     printf("thread2 return value(retval) is %d\n", (int)retval);
51     printf("thread2 return value(tmp) is %d\n", tmp1);
52     if (tmp2 != 0) {
53         printf("cannot join with thread2\n");
54     }
55     printf("thread2 end\n");
56 
57 }
58 
59 void print_message_function( void *ptr ) {
60     int i = 0;
61     for (i; i<5; i++) {
62         printf("%s:%d\n", (char *)ptr, i);
63     }
64 }

 

编译

gcc thread_hello_world.c -otest -lpthread 一定要加上-lpthread，要不然会报错，因为源代码里引用了pthread.h里的东西，所以在gcc进行链接的时候，必须要找到这些库的二进制实现代码。

运行结果

 结果分析： 1.这段程序我运行了两次，可以看到，两次的运行结果是不一样的，从而说明，新线程和老线程谁先执行，谁后执行用户是不知道的，这一块取决与操作系统对线程的调度。 2.另外，我们看到，在thread2的join结果出现了错误，打印出cannot join with thread2其实这个是个小错误，因为,我pthread_join传进去的th是thread1,在上面的结果中，thread1早已经结束了，所以我们再次等待thread1结束肯定会出现无法取到状态的错误的。 3.pthread_join(thread1, &retval)确实等待了thread1的结束，我们看到，在print_message_function函数循环了5遍结束以后，才打印出thread1 end

这是一个非常简单的例子，hello world级别的，只是用来演示Linux下C多线程的使用，在实际应用中，由于多个线程往往会访问共享的资源（典型的是访问同一个全局变量），因此多个县城间存在着竞争的关系，这就需要对多个线程进行同步，对其访问的数据予以保护。

多线程的同步与互斥

方式一：锁

• 在主线程中初始化锁为解锁状态
  • pthread_mutex_t mutex;
  • pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
• 在编译时初始化锁为解锁状态
  • 锁初始化 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
• 访问对象时的加锁操作与解锁操作
  • 加锁 pthread_mutex_lock(&mutex)
  • 释放锁 pthread_mutex_unlock(&mutex)

不加锁，数据不同步

我们先来看一个不加锁，多个线程访问同一段数据的程序。

 1 /*************************************************************************
 2     > File Name: no_mutex.c
 3     > Author: couldtt(fyby)
 4     > Mail: [email protected]
 5     > Created Time: 2013年12月15日 星期日 17时52分24秒
 6  ************************************************************************/
 7 
 8 #include <stdio.h>
 9 #include <stdlib.h>
10 #include <pthread.h>
11 
12 int sharedi = 0;
13 void increse_num(void);
14 
15 int main(){
16     int ret;
17     pthread_t thrd1, thrd2, thrd3;
18 
19     ret = pthread_create(&thrd1, NULL, (void *)increse_num, NULL);
20     ret = pthread_create(&thrd2, NULL, (void *)increse_num, NULL);
21     ret = pthread_create(&thrd3, NULL, (void *)increse_num, NULL);
22 
23     pthread_join(thrd1, NULL);
24     pthread_join(thrd2, NULL);
25     pthread_join(thrd3, NULL);
26 
27     printf("sharedi = %d\n", sharedi);
28 
29     return 0;
30 
31 }
32 
33 void increse_num(void) {
34     long i,tmp;
35     for(i=0; i<=100000; i++) {
36         tmp = sharedi;
37         tmp = tmp + 1;
38         sharedi = tmp;
39     }
40 }

 

编译

gcc no_mutex.c -onomutex -lpthread

运行分析

 

从上图可知，我们no_mutex每次的运行结果都不一致，而且，运行结果也不符合我们的预期，出现了错误的结果。 原因就是三个线程竞争访问全局变量sharedi，并且都没有进行相应的同步。

举个例子，当线程thrd1访问到sharedi的时候，sharedi的值是1000,然后线程thrd1将sharedi的值累加到了1001,可是线程thrd2取到sharedi的时候，sharedi的值是1000,这时候线程thrd2对sharedi的值进行加1操作，使其变成了1001,可是这个时候，sharedi的值已经被线程thrd1加到1001了，然而，thrd2并不知道，所以又将sharedi的值赋为了1001,从而导致了结果的错误。

这样，我们就需要一个线程互斥的机制，来保护sharedi这个变量，让同一时刻，只有一个线程能够访问到这个变量，从而使它的值能够保证正确的变化。

加锁，数据同步

通过加锁，保证sharedi变量在进行变更的时候，只有一个线程能够取到，并在在该线程对其进行操作的时候，其它线程无法对其进行访问。

 1 /*************************************************************************
 2     > File Name: mutex.c 
 3     > Author: couldtt(fyby)
 4     > Mail: [email protected] 
 5     > Created Time: 2013年12月15日 星期日 17时52分24秒
 6  ************************************************************************/
 7 
 8 #include <stdio.h>
 9 #include <stdlib.h>
10 #include <pthread.h>
11 
12 int sharedi = 0;
13 void increse_num(void);
14 
15 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
16 
17 int main(){
18     int ret;
19     pthread_t thrd1, thrd2, thrd3;
20 
21     ret = pthread_create(&thrd1, NULL, (void *)increse_num, NULL);
22     ret = pthread_create(&thrd2, NULL, (void *)increse_num, NULL);
23     ret = pthread_create(&thrd3, NULL, (void *)increse_num, NULL);
24 
25     pthread_join(thrd1, NULL);
26     pthread_join(thrd2, NULL);
27     pthread_join(thrd3, NULL);
28 
29     printf("sharedi = %d\n", sharedi);
30 
31     return 0;
32 
33 }
34 
35 void increse_num(void) {
36     long i,tmp;
37     for(i=0; i<=100000; i++) {
38     /*加锁*/
39         if (pthread_mutex_lock(&mutex) != 0) {
40            perror("pthread_mutex_lock");
41            exit(EXIT_FAILURE);
42         }
43         tmp = sharedi;
44         tmp = tmp + 1;
45         sharedi = tmp;
46     /*解锁锁*/
47         if (pthread_mutex_unlock(&mutex) != 0) {
48             perror("pthread_mutex_unlock");
49             exit(EXIT_FAILURE);
50         }
51     }
52 }

 

结果分析

 

这一次，我们的结果是正确的，锁有效得保护了我们的数据安全。然而：

1. 锁保护的并不是我们的共享变量（或者说是共享内存），对于共享的内存而言，用户是无法直接对其保护的，因为那是物理内存，无法阻止其他程序的代码访问。事实上，锁之所以对关键区域进行了保护，在本例中，是因为所有线程都遵循了一个规则，那就是在进入关键区域钱加同一把锁，在退出关键区域钱释放同一把锁

2. 我们从上述运行结果中可以看到，加锁是会带来额外的开销的，加锁的代码其运行速度，明显比不加锁的要慢一些，所以，在使用锁的时候，要合理，在不需要对关键区域进行保护的场景下，我们便不要画蛇添足，为其加锁了

方式二：信号量

锁有一个很明显的缺点，那就是它只有两种状态：锁定与不锁定。

信号量本质上是一个非负数的整数计数器，它也被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加的时候，调用信号量增加函数sem_post()对其进行增加，当公共资源减少的时候，调用函数sem_wait()来减少信号量。其实，我们是可以把锁当作一个0-1信号量的。

它们是在/usr/include/semaphore.h中进行定义的，信号量的数据结构为sem_t, 本质上，它是一个long型整数

相关函数

在使用semaphore之前，我们需要先引入头文件#include <semaphore.h>

• 初始化信号量： int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
  • 成功返回0，失败返回-1
  • 参数
  • sem：指向信号量结构的一个指针
  • pshared： 不是0的时候，该信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程们共享
  • value：信号量的初始值
• 信号量减1操作，当sem=0的时候该函数会堵塞 int sem_wait(sem_t *sem);
  • 成功返回0，失败返回-1
  • 参数
  • sem：指向信号量的一个指针
• 信号量加1操作 int sem_post(sem_t *sem);
  • 参数与返回同上
• 销毁信号量 int sem_destroy(sem_t *sem);
  • 参数与返回同上

代码示例

 1 /*************************************************************************
 2     > File Name: sem.c
 3     > Author: couldtt(fyby)
 4     > Mail: [email protected] 
 5     > Created Time: 2013年12月15日 星期日 19时25分08秒
 6  ************************************************************************/
 7 
 8 #include <stdio.h>
 9 #include <unistd.h>
10 #include <pthread.h>
11 #include <semaphore.h>
12 
13 #define MAXSIZE 10
14 
15 int stack[MAXSIZE];
16 int size = 0;
17 sem_t sem;
18 
19 // 生产者
20 void provide_data(void) {
21     int i;
22     for (i=0; i< MAXSIZE; i++) {
23         stack[i] = i;
24         sem_post(&sem); //为信号量加1
25     }
26 }
27 
28 // 消费者
29 void handle_data(void) {
30     int i;
31     while((i = size++) < MAXSIZE) {
32         sem_wait(&sem);
33         printf("乘法: %d X %d = %d\n", stack[i], stack[i], stack[i]*stack[i]);
34         sleep(1);
35     }
36 }
37 
38 int main(void) {
39 
40     pthread_t provider, handler;
41 
42     sem_init(&sem, 0, 0); //信号量初始化
43     pthread_create(&provider, NULL, (void *)handle_data, NULL);
44     pthread_create(&handler, NULL, (void *)provide_data, NULL);
45     pthread_join(provider, NULL);
46     pthread_join(handler, NULL);
47     sem_destroy(&sem); //销毁信号量
48 
49     return 0;
50 }

 

运行结果：

 

因为信号量机制的存在，所以代码在handle_data的时候，如果sem_wait(&sem)时，sem为0,那么代码会堵塞在sem_wait上面，从而避免了在stack中访问错误的index而使整个程序崩溃。

参考资料

• [1] http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html
• [2] 《Linux下C语言应用编程》(北京航空航天大学出版社）
• [3] getting started with posix thread