多线程编程C语言版（附代码示例）

Posted 2021-12-13 嵌入式大杂烩

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本文探讨PODIX线程相关内容。

线程的概念

什么是多线程，提出这个问题的时候，我还是很老实的拿出操作系统的书，按着上面的话敲下“为了减少进程切换和创建开销，提高执行效率和节省资源，我们引入了线程的概念，与进程相比较，线程是CPU调度的一个基本单位。”

当 Linux 最初开发时，在内核中并不能真正支持线程。那为什么要使用多线程？

使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。

那么线程是干什么的呢？简要概括下线程的职责：线程是程序中完成一个独立任务的完整执行序列。

线程的管理

创建线程

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

- thread:线程id，唯一标识

- attr:线程属性，参数可选

- start_routine:线程执行函数

- arg:传递给线程的参数

Demo1：创建一个线程

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void *workThreadEntry(void *args)
{
 char*str = (char*)args;
    printf("threadId:%lu,argv:%s\\n",pthread_self(),str);
}
int main(int argc,char *agrv[])
{
 pthread_t thread_id;
    char*str = "hello world";
 pthread_create(&thread_id,NULL,workThreadEntry,str);
 printf("threadId=%lu\\n",pthread_self());
 pthread_join(thread_id,NULL);
}

编译运行

$ gcc -o main main.c -pthread
$ ./main 
threadId=140381594486592
threadId:140381585938176,argv:hello world

运行结果是创建一个线程，打印线程id和主线程传递过来的参数。

线程退出与等待

在Demo1中我们用到了pthread_join这个函数

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

这是一个阻塞函数，用于等待线程退出，对线程资源进行收回。

一个线程对应一个pthread_join()调用，对同一个线程进行多次pthread_join()调用属于逻辑错误，俗称耍流氓。

那么线程什么时候退出？

1.在线程函数运行完后，该线程也就退出了

2.线程内调用函数pthread_exit()主动退出

3.当线程可以被取消时，通过其他线程调用pthread_cancel的时候退出

4.创建线程的进程退出

5.主线程执行了exec类函数，该进程的所有的地址空间完全被新程序替换，子线程退出

线程的状态

线程pthread有两种状态joinable状态和unjoinable状态，如果线程是joinable状态，当线程函数自己返回退出时或pthread_exit时都不会释放线程所占用堆栈和线程描述符（总计8K多）。只有当你调用了pthread_join之后这些资源才会被释放。若是unjoinable状态的线程，这些资源在线程函数退出时或pthread_exit时自动会被释放。pthread的状态在创建线程的时候指定，创建一个线程默认的状态是joinable。

状态为joinable的线程可在创建后，用pthread_detach()显式地分离，但分离后不可以再合并，该操作不可逆。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);

pthread_detach这个函数就是用来分离主线程和子线程，这样做的好处就是当子线程退出时系统会自动释放线程资源。

主线程与子线程分离，子线程结束后，资源自动回收。

线程取消

在线程的退出中我们说到线程可以被其他线程结束。

1.一个线程可以调用pthread_cancel来取消另一个线程。

2.被取消的线程需要被join来释放资源。

3.被取消的线程的返回值为PTHREAD_CANCELED

有关线程的取消，一个线程可以为如下三个状态：

1.可异步取消：一个线程可以在任何时刻被取消。

2.可同步取消：取消的请求被放在队列中，直到线程到达某个点，才被取消。

3.不可取消：取消的请求被忽略。

首先线程默认是可以取消的,通过pthread_setcancelstate设置线程的取消状态属性

#include <pthread.h>
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);

---

可取消	不可取消
PTHREAD_CANCEL_ENABLE	PTHREAD_CANCEL_DISABLE

调用pthread_setcanceltype来设定线程取消的方式：

pthread_setcanceltype (PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS, NULL); //异步取消、 
pthread_setcanceltype (PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, NULL);  //同步取消、
pthread_setcanceltype (PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL); //不能取消

线程回收

Linux提供回收器(cleanup handler)，它是一个API函数，在线程退出的时候被调用。

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

这两个API是为了解决线程终止或者异常终止时，释放资源的问题。

Demo2：线程回收示例

//pthread_pop_push.c
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>

void cleanup()
{
 printf("cleanup\\n");
}
void *test_cancel(void)
{
    //注册一个回收器
 pthread_cleanup_push(cleanup,NULL); 
 printf("test_cancel\\n");
 while(1)
 {
  printf("test message\\n");
  sleep(1);
 }
    //调用且注销回收器
 pthread_cleanup_pop(1);
}
int main()
{
 pthread_t tid;
 pthread_create(&tid,NULL,(void *)test_cancel,NULL);
 sleep(2);
 pthread_cancel(tid);
 pthread_join(tid,NULL);
}

线程的私有数据

我们在开头的概述中讲到运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据。既然是大部分数据那么就有属于线程的私有数据

TSD私有数据，同名但是不同内存地址的私有数据结构

创建私有数据

int pthread_key_create (pthread_key_t *__key,void (*__destr_function) (void *));
int pthread_key_delete (pthread_key_t __key);

- __key:pthread_key_t类型的变量

- __destr_function:清理函数，用来在线程释放该线程存储的时候被调用

创建和删除私有数据是对应的

读写私有数据

extern int pthread_setspecific (pthread_key_t __key,const void *__pointer);
void *pthread_getspecific (pthread_key_t __key);

- __key:pthread_key_t类型的变量

- __pointer:void*类型的值

Demo3:线程私有数据示例

//pthread_key_test.c
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h>
#include <pthread.h> 

pthread_key_t key; 
void echomsg(void *t) 
{ 
 printf("destructor excuted in thread %lu,param=%p\\n",pthread_self(),((int *)t)); 
} 

void * thread1(void *arg) 
{ 
 int i=10;
 printf("set key value %d in thread %lu\\n",i,pthread_self()); 
 pthread_setspecific(key,&i); 
 printf("thread 2s..\\n");
 sleep(2); 
 printf("thread:%lu,key:%d,address:%p\\n",pthread_self(),*((int *)pthread_getspecific(key)),(int *)pthread_getspecific(key)); 
} 

void * thread2(void *arg) 
{ 
 int temp=20;
 printf("set key value %d in thread %lu\\n",temp,pthread_self()); 
 pthread_setspecific(key,&temp); 
    printf("thread 1s..\\n");
 sleep(1); 
 printf("thread:%lu,key:%d,address:%p\\n",pthread_self(),*((int *)pthread_getspecific(key)),(int *)pthread_getspecific(key)); 
} 

int main(void) 
{ 
 pthread_t tid1,tid2; 
 pthread_key_create(&key,echomsg); 
 pthread_create(&tid1,NULL,(void *)thread1,NULL); 
 pthread_create(&tid2,NULL,(void *)thread2,NULL); 
 pthread_join(tid1,NULL);
 pthread_join(tid2,NULL);
 pthread_key_delete(key); 
 return 0; 
}

运行结果

$ ./main 
set key value 20 in thread 139739044730624
thread 1s..
set key value 10 in thread 139739053123328
thread 2s..
thread:139739044730624,key:20,address:0x7f17881f4ed4
destructor excuted in thread 139739044730624,param=0x7f17881f4ed4
thread:139739053123328,key:10,address:0x7f17889f5ed4
destructor excuted in thread 139739053123328,param=0x7f17889f5ed4

从结果集里面可以看到key在两个线程中的地址是一样的但是key值不同。

线程属性

在创建线程的时候，pthread_create第二个参数设为NULL即线程属性，一般情况下，使用默认属性就可以解决我们开发过程中的大多数问题。

线程属性标识pthread_attr_t结构如下

//线程属性结构如下：  
typedef struct  
{  
    int                   detachstate;      //线程的分离状态  
    int                   schedpolicy;     //线程调度策略  
    structsched_param     schedparam;      //线程的调度参数  
    int                   inheritsched;    //线程的继承性  
    int                   scope;           //线程的作用域  
    size_t                guardsize;       //线程栈末尾的警戒缓冲区大小  
    int                   stackaddr_set;   //线程的栈设置  
    void*                 stackaddr;       //线程栈的位置  
    size_t                stacksize;       //线程栈的大小  
}pthread_attr_t;

属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源。

#include <pthread.h>
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

线程属性主要包括如下属性：

作用域(scope)

栈尺寸(stack size)

栈地址(stack address)

优先级(priority)

分离的状态(detached state)

调度策略和参数(scheduling policy and parameters)。

默认的属性为非绑定、非分离、缺省1M的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

这里简要说明下线程分离状态(detached state)和堆栈大小(stacksize),主要是这个我个人用的比较多

Demo4：线程属性设置

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
void* thread_run(void* args){
    size_t threadSize;
    pthread_attr_t* threadAttr = (pthread_attr_t*)args;
    pthread_attr_getstacksize(threadAttr,&threadSize);
    printf("thread threadSize:%ld\\n",threadSize);
}
int main(){
    pthread_t threadId;
    pthread_attr_t threadAttr;
    pthread_attr_init(&threadAttr);
    pthread_attr_setdetachstate(&threadAttr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); //PTHREAD_CREATE_DETACHED:线程分离 ；PTHREAD_CREATE_JOINABLE:非分离线程
    pthread_attr_setstacksize(&threadAttr, 4 * 1024 * 1024);
    pthread_create(&threadId, &threadAttr, thread_run, &threadAttr);
    sleep(1);
    return 0;
}

运行结果

$ gcc -o main main.c -lpthread
$ ./main 
thread threadSize:4194304

这样我们就创建一个堆栈大小为 4194304 线程分离的线程。

Linux线程属性总结文章参考:

https://blog.csdn.net/nkguohao/article/details/38796475

线程的同步互斥

在开头说道，在多线程的程序中，多个线程共享堆栈空间，那么就会存在问题

互斥锁

在多线程的程序中，多个线程共享临界区资源，那么就会有竞争问题，互斥锁mutex是用来保护线程间共享的全局变量安全的一种机制， 保证多线程中在某一时刻只允许某一个线程对临界区的访问。

POSIX标准下互斥锁是pthread_mutex_t，与之相关的函数有：

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex , pthread_mutexattr_t * attr);
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t * mutex);
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t * mutex );  //阻塞式
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t * mutex );
int pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t * mutex );//非阻塞式
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t mutex, const struct timespec *tsptr);

返回值: 成功则返回 0, 出错则返回错误编号.

对共享资源的访问, 要对互斥量进行加锁, 如果互斥量已经上了锁, 调用线程会阻塞, 直到互斥量被解锁. 在完成了对共享资源的访问后, 要对互斥量进行解锁。

Demo5：互斥锁的应用

//使用互斥量解决多线程抢占资源的问题
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
char* buf[5];   //字符指针数组  全局变量
int pos;        //用于指定上面数组的下标
//1.定义互斥量
pthread_mutex_t mutex;
 
void *task(void *p)
{
    //3.使用互斥量进行加锁
    // pthread_mutex_lock(&mutex);
    buf[pos] = (char *)p;
    usleep(200); //耗时操作
    pos++;
    //4.使用互斥量进行解锁
    // pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
 
int main(void)
{
    //2.初始化互斥量, 默认属性
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 
    //1.启动一个线程 向数组中存储内容
    pthread_t tid, tid2;
    pthread_create(&tid, NULL, task, (void *)"str1");
    pthread_create(&tid2, NULL, task, (void *)"str2");
    //2.主线程进程等待,并且打印最终的结果
    pthread_join(tid, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
 
    //5.销毁互斥量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
 
    int i = 0;
    printf("字符指针数组中的内容是：");
    for(i = 0; i < pos; ++i)
    {
        printf("%s ", buf[i]);
    }
    printf("\\n");
    return 0;
}

Demo中注释掉了互斥锁，运行结果如下

$ ./main 
字符指针数组中的内容是：str1 (null)

Demo中创建了两个线程用来给buf赋值字符串，期望的效果是第一个线程给buf[0]赋值‘str1'，第二个线程给buf[0]赋值‘str2'，当出现耗时操作的时候同时给buf[0]赋值'str1'和'str2'，与期望不符

加上互斥锁之后，运行结果如下

$ ./main 
字符指针数组中的内容是：str2 str1

读写锁

读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更改的并行性，也叫共享互斥锁。

如果当前线程读数据 则允许其他线程进行读操作 但不允许写操作

如果当前线程写数据 则其他线程的读写都不允许操作

例如对数据库数据的读写应用：为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了读写锁来实现。

与读写锁相关的API函数如下所示

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock,const pthread_rwlockattr_t *attr); 
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock );  //非阻塞式
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock );  //非阻塞式
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //阻塞式
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //阻塞式
int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *rwlock); 
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

读写锁的使用和互斥锁类似，接下来Demo简单演示下

Demo创建了四个线程，两个读线程，两个写线程，当写线程抢到锁之后，读取用户输入(有人在写),这个时候其他读写锁都不能锁定，当用户输入完之后，其他线程抢锁，读线程抢到锁之后，只有另一个读线程才可以抢到锁，写线程不可以抢到锁。

Demo6:读写锁的应用

#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

static pthread_rwlock_t rwlock;

#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE];
int time_to_exit;

void *thread_function_read_o(void *arg);
void *thread_function_read_t(void *arg);
void *thread_function_write_o(void *arg);
void *thread_function_write_t(void *arg);
 

int main(int argc,char *argv[]) 
{
 int res;
 pthread_t a_thread,b_thread,c_thread,d_thread;
 void *thread_result;

 res=pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);
 res = pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function_read_o, NULL);//create new thread
  res = pthread_create(&b_thread, NULL, thread_function_read_t, NULL);//create new thread
 res = pthread_create(&c_thread, NULL, thread_function_write_o, NULL);//create new thread
 res = pthread_create(&d_thread, NULL, thread_function_write_t, NULL);//create new thread
  res = pthread_join(a_thread, &thread_result);
  res = pthread_join(b_thread, &thread_result);
 res = pthread_join(c_thread, &thread_result);
 res = pthread_join(d_thread, &thread_result);
 pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

void *thread_function_read_o(void *arg)
{ 
 while(strncmp("end", work_area, 3) != 0) 
 {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
  printf("this is thread read one.");
  printf("read characters is %s",work_area); 
  pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  
        sleep(1); 
 } 
 pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 
 time_to_exit=1;
 pthread_exit(0);
}

 void *thread_function_read_t(void *arg)
{
 while(strncmp("end", work_area, 3) != 0) 
 {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
  printf("this is thread read two.");
  printf("read characters is %s",work_area); 
  pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 
        sleep(2);   
 }
 time_to_exit=1;
 pthread_exit(0);
}

void *thread_function_write_o(void *arg)
{
 while(!time_to_exit) 
 {
  pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
  printf("this is write thread one.\\nInput some text.\\n");
  fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);
  pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
  sleep(1);
 }
 pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
 pthread_exit(0);
}

void *thread_function_write_t(void *arg)
{
 while(!time_to_exit)
 {
  pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
  printf("this is write thread two.\\nInput some text.\\n"); 
  fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);
  pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
  sleep(2);
 }
 pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
 pthread_exit(0);
}

可以自行运行试一下效果.

条件变量

条件变量（cond）使在多线程程序中用来实现“等待--->唤醒”逻辑常用的方法，是进程间同步的一种机制。条件变量用来阻塞一个线程，直到条件满足被触发为止，通常情况下条件变量和互斥量同时使用。

一般条件变量有两个状态：

1. 一个/多个线程为等待“条件变量的条件成立“而挂起；

2. 另一个线程在“条件变量条件成立时”通知其他线程。

条件变量的类型 pthread_cond_t

#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);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);//阻塞等待条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);//超时等待
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); //唤醒一个或者多个等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);//唤醒所有的等待的线程

条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号，可以解决消费者和生产者的关系

案例如下：

生产者消费者模型

Demo7:生产者消费者模型

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include "pthread.h"

#define BUFFER_SIZE 2

/*生产者*/
struct producons
{
    int buffer[BUFFER_SIZE];    /*数据*/
    pthread_mutex_t lock;       //互斥锁
    int readpos,writepos;       //读写位置
    pthread_cond_t nottempty;   //条件变量  非空
    pthread_cond_t notfull;     //条件变量  非满
};
struct producons buffer;    //生产者对象

/*生产者初始化函数*/
void init(struct producons *prod)
{
    pthread_mutex_init(&prod->lock,NULL);       //初始化互斥锁
    pthread_cond_init(&prod->nottempty,NULL);    //初始化条件变量
    pthread_cond_init(&prod->notfull,NULL);     //初始化条件变量
    prod->readpos = 0;
    prod->writepos = 0;
}

//生产消息
void put(struct producons * prod,int data)
{
    pthread_mutex_lock(&prod->lock);    //加锁

    //write until buffer not full 
    while((prod->writepos + 1)%BUFFER_SIZE == prod->readpos)
    {
        printf("生产者等待生产，直到buffer有空位置\\n");
        pthread_cond_wait(&prod->notfull,&prod->lock);
    }
    //将数据写入到buffer里面去
    prod->buffer[prod->writepos] = data;
    prod->writepos++;
    if(prod->writepos >= BUFFER_SIZE)
        prod->writepos = 0;
 
    //触发非空条件变量 告诉消费者可以消费
    pthread_cond_signal(&prod->nottempty);
    pthread_mutex_unlock(&prod->lock);  //解锁
}

//生产者线程
void * producer(void * data)
{
    int n;
    for(n = 0;n<5;n++)
    {
        printf("生产者睡眠 1s...\\n");
  sleep(1);
  printf("生产信息：%d\\n", n);
        put(&buffer, n);
    }
    for(n=5; n<10; n++)
 {
  printf("生产者睡眠 3s...\\n");
  sleep(3);
  printf("生产信息：%d\\n",n);
  put(&buffer,n);
 }
 put(&buffer, -1);
 printf("结束生产者!\\n");
 return NULL;
}

//消费消息
int get(struct producons *prod)
{
    int data;
    pthread_mutex_lock(&prod->lock);    //加锁

    while(prod->writepos == prod->readpos)
    {
        printf("消费者等待，直到buffer有消息\\n");
        pthread_cond_wait(&prod->nottempty,&prod->lock);
    }
    //读取buffer里面的消息
    data = prod->buffer[prod->readpos];
    prod->readpos++;

    if(prod->readpos >=BUFFER_SIZE)
        prod->readpos = 0;
    //触发非满条件变量 告诉生产者可以生产
    pthread_cond_signal(&prod->notfull);
    pthread_mutex_unlock(&prod->lock);  //解锁
 
 return data;
}

//消费者线程
void * consumer(void * data)
{
    int d = 0;
    while(1)
    {
        printf("消费者睡眠 2s...\\n");
        sleep(2);
        d = get(&buffer);
        printf("读取信息：%d\\n",d);
        if(d == -1) break;
    }
    printf("结束消费者!\\n");
    return NULL;
}

int main(int argc ,char *argv[])
{
    pthread_t th_a,th_b;    //定义a,b两个线程
    void * retval;          //线程参数
    init(&buffer);
    pthread_create(&th_a,NULL,producer,0);   //创建生产者线程
    pthread_create(&th_b,NULL,consumer,0);   //创建消费者线程

    pthread_join(th_a,&retval); //等待a线程返回
    pthread_join(th_b,&retval); //等待b线程返回
    return 0;
}

运行效果如下(截取)：

...
消费者等待，直到buffer有消息
生产信息：8
生产者睡眠 3s...
读取信息：8
消费者睡眠 2s...
消费者等待，直到buffer有消息
生产信息：9
生产者等待生产，直到buffer有空位置
读取信息：9
消费者睡眠 2s...
结束生产者!
读取信息：-1
结束消费者!

在这个Demo中，生产者生产货物(数据)到仓库(缓冲区)，消费者从仓库消费货物，当仓库已满时通知生产者，生产者调用pthread_cond_wait阻塞等待条件变量notfull，这个条件变量由消费者唤醒；当仓库非空的时候通知消费者，消费者调用pthread_cond_wait阻塞等待条件变量nottempty，这个条件变量由生产者唤醒。

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