多线程编程总结

Posted 2020-09-22

一、线程模型：

线程是程序中完成一个独立任务的完整执行序列，即一个可调度的实体。根据运行环境和调度者的身份，线程可分为内核线程和用户线程。

内核线程：运行在内核空间，由内核来调度；

用户线程：运行在用户空间，由线程库来调用。

 

当进程的一个内核线程获得CPU的使用权时，它就加载并运行一个用户线程。可见，内核程序相当于用户线程运行的容器。一个进程可以拥有M个内核线程和N个用户线程，其中M≤N。并且在一个系统的所有进程中，M和N的比值都是固定的。按照M:N的取值，线程的实现方式可分为三种模式：完全在用户空间实现、完全由内核调度和双层调度。

 

1、完全在用户空间实现的线程无须内核的支持，内核甚至根本不知道这些现成的存在。线程库负责管理所有执行线程，比如线程的优先级、时间片等。线程库利用longjmp来切换线程的执行，使它们看起来像是“并发”执行的。但实际上内核仍然是把整个进程作为最小单位来调度的。换句话说，一个进程的所有执行线程共享该进程的时间片，它们对外表现出相同的优先级。因此，对于这种实现方式而言，M=1，即N个用户空间线程对应1个内核线程，而该内核线程实际上就是进程本身。

完全在用户空间实现的线程的优点是：创建和调度线程都无需内核的干预，因此速度相当快。并且由于它不占用额外的内核资源，所以即使一个进程创建了很多线程，也不会对系统性能造成明显的影响。其缺点是：对于多处理器系统，一个进程的多线程无法运行在不同的CPU上，因为内核是按照其最小调度单位来分配CPU的。此外，线程的优先级只对同一个进程中的线程有效，比较不同进程中的线程的优先级没有意义。

 

2、完全由内核调度的模式将创建、调度线程的任务都交给了内核，运行在用户空间的线程库无须执行管理任务，这与完全在用户空间实现的线程恰恰相反。二者的优缺点也正好互换。完全由内核调度的这种线程实现方式满足M:N=1:1，即1个用户空间线程被映射为1个内核线程。

 

3、双层调度模式是前两种实现模式的混合体：内核调度M个内核线程，线程库调用N个用户线程。这种线程实现方式结合了前两种方式的优点：不但不会消耗过多的内核资源，而且线程切换速度也较快，同时它可以充分利用多处理器的优势。

 

二、Linux线程库

Linux上最有名的线程库是LinuxTreads和NPTL，它们都是采用1:1的方式实现的。

用户可以使用如下命令来查看当前系统上所使用的线程库：

$ getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

NPTL 2.14.90

 

三、创建线程和结束线程

1、pthread_create：创建一个线程

#include <pthread.h>

int pthread_create( pthread_t* thread, const pthread_att_t* attr,

   void* (*start_routine)(void*),void* arg);

thread参数是新线程的标识符，后续pthread_t*函数通过它来引用新的线程。其类型pthread_t的定义如下：

#include <bits/pthreadtypes.h>

typedef unsigned long int pthread_t;

attr参数用于设置新线程的属性。给它传递NULL表示使用默认的线程属性。start_routine和arg参数分别指定新线程将运行的函数及其参数。

pthread_create成功时返回0，失败时返回错误码。一个用户可以打开的线程数量不能超过RLIMIT)NPROC软资源限制。此外，系统上所有用户能创建的线程总数也不能超过/pro/sys/kernel.threads-max内核参数所定义的值。

 

2、pthread_exit

线程一旦被创建好，内核就可以调度内核线程来执行start_routine函数指针所指向的函数了。线程函数在结束时最好调用如下函数，以确保安全、干净的退出。

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void* retval);

pthread_exit函数通过retval参数向线程的回收者传递其退出信息。它执行完之后不会返回到调用者，而且永远不会失败。

 

3、pthread_join

一个进程中的所有线程都可以调用pthread_join函数来回收其他线程，即等待其他线程结束，这类似于回收进程的wait和waitpid系统调用。

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread,void** retval);

thread参数是目标线程的标识符，retval参数则是目标线程返回的退出消息。该函数会一直阻塞，直到被回收的线程结束为止。该函数成功时返回0，失败则返回错误码。

错误码	描述
EDEADLK	可能引起死锁。比如两个线程互相针对对方调用pthread_join，或者线程对自身调用pthread_join。
EINVAL	目标线程是不可回收的，或者已有其他线程在回收该目标线程
ESRCH	目标线程不存在

 

4、pthread_cancel

有时候我们希望异常终止一个线程，即取消线程。

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread);

threat参数是目标线程的标识符。该函数返回成功时返回0，失败返回错误码。不过，接收到取消请求的目标线程可以决定是否允许被取消以及如何取消。

#include <pthread.h>

int pthread_setcancelstate(int state,int* oldstate);

int pthread_setcanceltype(int type,int* oldtype);

这两个函数的第一个参数分别用于设置线程的取消状态（是否取消）和取消类型（如何取消），第二个参数分别记录线程原来的取消状态和取消类型。

 

四、POSIX信号量

专门用于线程同步的机制：POSIX信号量、互斥量和条件变量。

常用的POSIX信号量函数是下面5个：

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t* sem,int pshared,unsigned int value);

int sem_destroy(sem_t* sem);

int sem_wait(sem_t* sem);

int sem_trywait(sem_t* sem);

int sem_post(sem_t* sem);

这些函数的第一个参数sem指向被操作的信号量。

sem_init函数用于初始化一个未命名的信号量。pshared参数指定信号量的类型。如果其值为0，就表示这个信号量是当前进程的局部信号量，否则该信号量就可以在多个进程之间共享。value参数指定信号量的初始值。此外，初始化一个已经被初始化的信号量将导致不可预期的结果。

sem_destroy函数用于销毁信号量，以释放其占用的内核资源。如果销毁一个正被其他线程等待的信号量，则将导致不可预期的结果。

sem_wait函数以原子操作的方式将信号量减1。如果信号量的值为0，则sem_wait将被阻塞，直到这个信号量具有非0值。

sem_trywait与sem_wait函数相似，不过它始终立即返回，而不论被操作的信号量是否具有非0值，相当于sem_wait的非阻塞版本。当信号量的值非0时，sem_trywait对信号量执行减1操作。当信号量的值为0时，它将返回-1并设置errno为EAGAIN。

sem_post函数以原子操作的方式将信号量的值加1。当信号量的值大于0时，其他正在调用sem_wait等待信号的线程将被唤醒。

上面这些函数，成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。

 

五、互斥锁

POSIX互斥锁的相关函数主要有5个：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *mutex, 

   const pthread_mutexattr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

这些函数的第一个参数mutex指向要操作的目标互斥锁，互斥锁的类型是pthread_mutex_t结构体。

pthread_mutex_init函数用于初始化互斥锁。mutexattr参数指定互斥锁的属性。如果将它设置为NULL，则表示使用默认属性。

pthread_mutex_destroy函数用于销毁互斥锁，以释放其占用的内核资源。销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock函数以原子操作的方式给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被锁上，则pthread_mutex_lock调用将阻塞，直到该互斥锁的占有者将其解锁。

pthread_mutex_trylock与pthread_mutex_lock函数类似，不过它始终立即返回，而不论被操作的互斥锁是否已经被加锁，相当于pthread_mutex_lock的非阻塞版本。当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock将返回错误码EBUSY。

pthread_mutex_unlock函数以原子操作的方式给一个互斥锁解锁。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的某一个将获得它。

上面这些函数，成功时返回0，失败则返回错误码。

 

互斥锁属性type指定互斥锁的类型。Linux支持如下4种类型的互斥锁：

1、PTHREAD_MUTEX_NORMAL，普通锁。这是互斥锁默认的类型。当一个线程对一个普通锁加锁以后，其余请求该锁的线程将形成一个等待队列，并在该锁解锁后按优先级获得它。这种锁类型保证了资源分配的公平性。但这种锁也很容易引发的问题：一个线程如果对一个已经加锁的普通锁再次加锁，将引发死锁；对一个已经被其他线程加锁的普通锁解锁，或者对一个已经解锁的普通锁再次解锁，将导致不可预期的后果。

2、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，检查锁。一个线程如果对一个已经加锁的检查锁再次加锁，则加锁操作返回EDEADLK；对一个已经被其他线程加锁的检查锁解锁，或者对一个已经解锁的检查锁再次解锁，则解锁操作返回EPERM。

3、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE，嵌套锁。这种锁允许一个线程在释放锁之前多次对它加锁而不发生死锁。不过其他线程如果要获得这个锁，则当前锁的拥有者必须执行相应次数的解锁操作。对一个已经被其他线程加锁的嵌套锁解锁，或者对一个已经解锁的嵌套锁再次解锁，则解锁操作返回EPERM。

4、PTHREAD_MUTEX_DEFAULT，默认锁。一个线程如果对一个已经加锁的默认所再次加锁，或者对一个已经被其他线程加锁的默认锁解锁，或者对一个已经解锁的默认所再次解锁，将导致不可预期的后果。这种锁在实现的时候可能被映射为上面三种锁之一。

 

六、可重入函数

如果一个函数能被多个线程同时调用且不发生竞态条件，则我们称它是线程安全的，或者说它是可重入函数。Linux库函数只有一小部分是不可重入的，这些库函数之所以不可重入，只要是其内部使用了静态变量。

 

七、线程和进程

如果一个多线程程序的某个线程调用了fork函数，那么新创建的子进程是否将自动创建和父进程相同数量的线程呢？

答：不是的。子进程只拥有一个执行程序，它是调用fork的那个线程的完整复制。并且子进程将自动继承父进程中的互斥锁的状态。也就是说，父进程中已经被加锁的互斥锁在子进程中也是被锁住的。这就引发了一个问题：子进程可能不清楚从父进程继承而来的互斥锁的具体状态（是加锁还是不加锁）。这个互斥锁可能被加锁了，但并不是由调用fork函数的那个线程锁住的，而是由其他线程锁住的。如果是这样的情况，而子进程若再次对该互斥锁执行加锁操作会导致死锁。

不过，pthread提供了一个专门的函数pthread_atfork，以确保fork调用后父进程和子进程都拥有一个清楚的锁的状态。该函数定义如下：

#include <pthread.h>

pthread_atfork(void (*prepare)(void),void (*parent)(void),void (*child)(void));

prepare句柄将在fork调用创建出子进程之前被执行。它可以用来锁住所有父进程中的互斥锁。parent句柄则是fork调用创建出子进程之后，而fork返回之前，在父进程中被执行。它的作用是释放所有在prepare句柄中被锁住的互斥锁。child句柄是fork返回之前，在子进程中被执行。和parent句柄一样，child句柄也是用于释放所有在prepare句柄中被锁住的互斥锁。

该函数成功时返回0，失败返回错误码。

 

八、线程和信号

每个线程都可以独立的设置信号掩码。