Linux应用开发第五章线程编程应用开发
Posted 韦东山
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux应用开发第五章线程编程应用开发相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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5 线程编程应用开发
本章将分为两大部分进行讲解，前半部分将引出线程的使用场景及基本概念，通过示例代码来说明一个线程创建到退出到回收的基本流程。后半部分则会通过示例代码来说明如果控制好线程，从临界资源访问与线程的执行顺序控制上引出互斥锁、信号量的概念与使用方法。
5.1 线程的使用
5.1.1 为什么要使用多线程
在编写代码时，是否会遇到以下的场景会感觉到难以下手？
场景一：写程序在拷贝文件时，需要一边去拷贝文件，一边去向用户展示拷贝文件的进度时，传统做法是通过每次拷贝完成结束后去更新变量，再将变量转化为进度显示出来。其中经历了拷贝->计算->显示->拷贝->计算->显示…直至拷贝结束。这样的程序架构及其的低效，必须在单次拷贝结束后才可以刷新当前拷贝进度，若可以将进程分支，一支单独的解决拷贝问题，一支单独的解决计算刷新问题，则程序效率会提升很多。
场景二：用阻塞方式去读取数据，实时需要发送数据的时候。例如在进行串口数据传输或者网络数据传输的时候，我们往往需要双向通信，当设置读取数据为阻塞模式时候，传统的单线程只能等到数据接收来临后才能冲过阻塞，再根据逻辑进行发送。当我们要实现随时发送、随时接收时，无法满足我们的业务需求。若可以将进程分支，一支单纯的处理接收数据逻辑，一支单纯的解决发送数据逻辑，就可以完美的实现功能。
基于以上场景描述，多线程编程可以完美的解决上述问题。
5.1.2 线程概念
所谓线程，就是操作系统所能调度的最小单位。普通的进程，只有一个线程在执行对应的逻辑。我们可以通过多线程编程，使一个进程可以去执行多个不同的任务。相比多进程编程而言，线程享有共享资源，即在进程中出现的全局变量，每个线程都可以去访问它，与进程共享“4G”内存空间，使得系统资源消耗减少。本章节来讨论Linux下POSIX线程。
5.1.3 线程的标识pthread_t
对于进程而言，每一个进程都有一个唯一对应的PID号来表示该进程，而对于线程而言，也有一个“类似于进程的PID号”，名为tid，其本质是一个pthread_t类型的变量。线程号与进程号是表示线程和进程的唯一标识，但是对于线程号而言，其仅仅在其所属的进程上下文中才有意义。
获取线程号
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
成功：返回线程号
在程序中，可以通过函数pthread_self，来返回当前线程的线程号，例程1给出了打印线程tid号。
测试例程1：（Phtread_txex1.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3
4 int main()
5
6 pthread_t tid = pthread_self();//获取主线程的tid号
7 printf("tid = %lu\\n",(unsigned long)tid);
8 return 0;
9
注意：因采用POSIX线程接口，故在要编译的时候包含pthread库，使用gcc编译应gcc xxx.c -lpthread 方可编译多线程程序。
编译结果：
5.1.4 线程的创建
创建线程
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);
成功：返回0
在传统的程序中，一个进程只有一个线程，可以通过函数pthread_create来创建线程。
该函数第一个参数为pthread_t类型的线程号地址，当函数执行成功后会指向新建线程的线程号；第二个参数表示了线程的属性，一般传入NULL表示默认属性；第三个参数代表返回值为void *，形参为void *的函数指针，当线程创建成功后，会自动的执行该回调函数；第四个参数则表示为向线程处理函数传入的参数，若不传入，可用NULL填充，有关线程传参后续小节会有详细的说明，接下来通过一个简单例程来使用该函数创建出一个线程。
测试例程2：（Phtread_txex2.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun(void *arg)
7
8 printf("pthread_New = %lu\\n",(unsigned long)pthread_self());//打印线程的tid号
9
10
11 int main()
12
13
14 pthread_t tid1;
15 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun,NULL);//创建线程
16 if(ret != 0)
17 perror("pthread_create");
18 return -1;
19
20
21 /*tid_main 为通过pthread_self获取的线程ID，tid_new通过执行pthread_create成功后tid指向的空间*/
22 printf("tid_main = %lu tid_new = %lu \\n",(unsigned long)pthread_self(),(unsigned long)tid1);
23
24 /*因线程执行顺序随机，不加sleep可能导致主线程先执行，导致进程结束，无法执行到子线程*/
25 sleep(1);
26
27 return 0;
28
29
运行结果：
通过pthread_create确实可以创建出来线程，主线程中执行pthread_create后的tid指向了线程号空间，与子线程通过函数pthread_self打印出来的线程号一致。
特别说明的是，当主线程伴随进程结束时，所创建出来的线程也会立即结束，不会继续执行。并且创建出来的线程的执行顺序是随机竞争的，并不能保证哪一个线程会先运行。可以将上述代码中sleep函数进行注释，观察实验现象。
去掉上述代码25行后运行结果：
上述运行代码3次，其中有2次被进程结束，无法执行到子线程的逻辑，最后一次则执行到了子线程逻辑后结束的进程。如此可以说明，线程的执行顺序不受控制，且整个进程结束后所产生的线程也随之被释放，在后续内容中将会描述如何控制线程执行。
5.1.5 向线程传入参数
pthread_create()的最后一个参数的为void *类型的数据，表示可以向线程传递一个void *数据类型的参数，线程的回调函数中可以获取该参数，例程3举例了如何向线程传入变量地址与变量值。
测试例程3：（Phtread_txex3.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun1(void *arg)
7
8 printf("%s:arg = %d Addr = %p\\n",__FUNCTION__,*(int *)arg,arg);
9
10
11 void *fun2(void *arg)
12
13 printf("%s:arg = %d Addr = %p\\n",__FUNCTION__,(int)(long)arg,arg);
14
15
16 int main()
17
18
19 pthread_t tid1,tid2;
20 int a = 50;
21 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);//创建线程传入变量a的地址
22 if(ret != 0)
23 perror("pthread_create");
24 return -1;
25
27 ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,(void *)(long)a);//创建线程传入变量a的值
28 if(ret != 0)
29 perror("pthread_create");
30 return -1;
31
32 sleep(1);
33 printf("%s:a = %d Add = %p \\n",__FUNCTION__,a,&a);
34 return 0;
35
36
运行结果：
本例程展示了如何利用线程创建函数的第四个参数向线程传入数据，举例了如何以地址的方式传入值、以变量的方式传入值，例程代码的21行，是将变量a先行取地址后，再次强制类型转化为void后传入线程，线程处理的回调函数中，先将万能指针void *转化为int *，再次取地址就可以获得该地址变量的值，其本质在于地址的传递。例程代码的27行，直接将int类型的变量强制转化为void *进行传递（针对不同位数机器，指针对其字数不同，需要int转化为long在转指针，否则可能会发生警告），在线程处理回调函数中，直接将void *数据转化为int类型即可，本质上是在传递变量a的值。
上述两种方法均可得到所要的值，但是要注意其本质，一个为地址传递，一个为值的传递。当变量发生改变时候，传递地址后，该地址所对应的变量也会发生改变，但传入变量值的时候，即使地址指针所指的变量发生变化，但传入的为变量值，不会受到指针的指向的影响，实际项目中切记两者之间的区别。具体说明见例程4.
测试例程4：（Phtread_txex4.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun1(void *arg)
7
8 while(1)
9
10 printf("%s:arg = %d Addr = %p\\n",__FUNCTION__,*(int *)arg,arg);
11 sleep(1);
12
13
14
15 void *fun2(void *arg)
16
17 while(1)
18
19 printf("%s:arg = %d Addr = %p\\n",__FUNCTION__,(int)(long)arg,arg);
20 sleep(1);
21
22
23
24 int main()
25
26
27 pthread_t tid1,tid2;
28 int a = 50;
29 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);
30 if(ret != 0)
31 perror("pthread_create");
32 return -1;
33
34 sleep(1);
35 ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,(void *)(long)a);
36 if(ret != 0)
37 perror("pthread_create");
38 return -1;
39
40 while(1)
41 a++;
42 sleep(1);
43 printf("%s:a = %d Add = %p \\n",__FUNCTION__,a,&a);
44
45 return 0;
46
47
运行结果：
上述例程讲述了如何向线程传递一个参数，在处理实际项目中，往往会遇到传递多个参数的问题，我们可以通过结构体来进行传递，解决此问题。
测试例程5：（Phtread_txex5.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <string.h>
5 #include <errno.h>
6
7 struct Stu
8 int Id;
9 char Name[32];
10 float Mark;
11 ;
12
13 void *fun1(void *arg)
14
15 struct Stu *tmp = (struct Stu *)arg;
16 printf("%s:Id = %d Name = %s Mark = %.2f\\n",__FUNCTION__,tmp->Id,tmp->Name,tmp->Mark);
17
18
19
20 int main()
21
22
23 pthread_t tid1,tid2;
24 struct Stu stu;
25 stu.Id = 10000;
26 strcpy(stu.Name,"ZhangSan");
27 stu.Mark = 94.6;
28
29 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&stu);
30 if(ret != 0)
31 perror("pthread_create");
32 return -1;
33
34 printf("%s:Id = %d Name = %s Mark = %.2f\\n",__FUNCTION__,stu.Id,stu.Name,stu.Mark);
35 sleep(1);
36 return 0;
37
38
运行结果：
5.1.6 线程的退出与回收
线程的退出情况有三种：第一种是进程结束，进程中所有的线程也会随之结束。第二种是通过函数pthread_exit来主动的退出线程。第三种通过函数pthread_cancel被其他线程被动结束。当线程结束后，主线程可以通过函数pthread_join/pthread_tryjoin_np来回收线程的资源，并且获得线程结束后需要返回的数据。
线程退出
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
该函数为线程退出函数，在退出时候可以传递一个void*类型的数据带给主线程，若选择不传出数据，可将参数填充为NULL。
线程资源回收（阻塞）
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
成功：返回0
该函数为线程回收函数，默认状态为阻塞状态，直到成功回收线程后被冲开阻塞。第一个参数为要回收线程的tid号，第二个参数为线程回收后接受线程传出的数据。
线程资源回收（非阻塞）
#define _GNU_SOURCE
#include <pthread.h>
int pthread_tryjoin_np(pthread_t thread, void **retval);
成功：返回0
该函数为非阻塞模式回收函数，通过返回值判断是否回收掉线程，成功回收则返回0，其余参数与pthread_join一致。
线程退出（指定线程号）
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
成功：返回0
该函数传入一个tid号，会强制退出该tid所指向的线程，若成功执行会返回0。
上述描述简单的介绍了有关线程回收的API，下面通过例程来说明上述API。
测试例程6：（Phtread_txex6.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun1(void *arg)
7
8 static int tmp = 0;//必须要static修饰，否则pthread_join无法获取到正确值
9 //int tmp = 0;
10 tmp = *(int *)arg;
11 tmp+=100;
12 printf("%s:Addr = %p tmp = %d\\n",__FUNCTION__,&tmp,tmp);
13 pthread_exit((void *)&tmp);//将变量tmp取地址转化为void*类型传出
14
15
16
17 int main()
18
19
20 pthread_t tid1;
21 int a = 50;
22 void *Tmp = NULL;//因pthread_join第二个参数为void**类型
23 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);
24 if(ret != 0)
25 perror("pthread_create");
26 return -1;
27
28 pthread_join(tid1,&Tmp);
29 printf("%s:Addr = %p Val = %d\\n",__FUNCTION__,Tmp,*(int *)Tmp);
30 return 0;
31
32
运行结果：
上述例程先通过23行将变量以地址的形式传入线程，在线程中做出了自加100的操作，当线程退出的时候通过线程传参，用void*类型的数据通过pthread_join接受。此例程去掉了之前加入的sleep函数，原因是pthread_join函数具备阻塞的特性，直至成功收回掉线程后才会冲破阻塞，因此不需要靠考虑主线程会执行到30行结束进程的情况。特别要说明的是例程第8行，当变量从线程传出的时候，需要加static修饰，对生命周期做出延续，否则无法传出正确的变量值。
测试例程7：（Phtread_txex7.c）
1 #define _GNU_SOURCE
2 #include <pthread.h>
3 #include <stdio.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <errno.h>
6
7 void *fun(void *arg)
8
9 printf("Pthread:%d Come !\\n",(int )(long)arg+1);
10 pthread_exit(arg);
11
12
13
14 int main()
15
16 int ret,i,flag = 0;
17 void *Tmp = NULL;
18 pthread_t tid[3];
19 for(i = 0;i < 3;i++)
20 ret = pthread_create(&tid[i],NULL,fun,(void *)(long)i);
21 if(ret != 0)
22 perror("pthread_create");
23 return -1;
24
25
26 while(1)//通过非阻塞方式收回线程，每次成功回收一个线程变量自增，直至3个线程全数回收
27 for(i = 0;i <3;i++)
28 if(pthread_tryjoin_np(tid[i],&Tmp) == 0)
29 printf("Pthread : %d exit !\\n",(int )(long )Tmp+1);
30 flag++;
31
32
33 if(flag >= 3) break;
34
35 return 0;
36
37
运行结果：
例程7展示了如何使用非阻塞方式来回收线程，此外也展示了多个线程可以指向同一个回调函数的情况。例程6通过阻塞方式回收线程几乎规定了线程回收的顺序，若最先回收的线程未退出，则一直会被阻塞，导致后续先退出的线程无法及时的回收。
通过函数pthread_tryjoin_np，使用非阻塞回收，线程可以根据退出先后顺序自由的进行资源的回收。
测试例程8：（Phtread_txex8.c）
1 #define _GNU_SOURCE
2 #include <pthread.h>
3 #include <stdio第五章 面向对象编程设计与开发——续