pthread线程知识要点

Posted 2022-09-12

pthread线程知识要点

线程之间通信的两个基本问题是互斥和同步。`

#include<pthread.h>

一、pthread_create
1、函数原型
int pthread_create(pthread_t tidp,const pthread_attr_t attr,(void)(start_rtn)(void),void arg);

2、函数功能：
pthread_create是类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）的创建线程的函数。
它的功能是创建线程（实际上就是确定调用该线程函数的入口点），在线程创建以后，就开始运行相关的线程函数。

返回成功时，由tidp指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。attr参数用于指定各种不同的线程属性。
新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个万能指针参数arg，
如果需要向start_rtn函数传递的参数不止一个，那么需要把这些参数放到一个结构中，然后把这个结构的地址作为arg的参数传入。

3、返回值：
表示成功，返回0；表示出错，返回-1。

4、参数
第一个参数为指向线程标识符的指针。
第二个参数用来设置线程属性。
第三个参数是线程运行函数的起始地址。
最后一个参数是运行函数的参数。

示例：
// 线程的运行函数
void say_hello(void args)

cout << "Hello Runoob！" << endl;
return 0;

int main()

    int indexes = 10;
    pthread_t tids;
    int ret = pthread_create(&tids, NULL, say_hello, (void *)&(indexe));
    pthread_exit(NULL);

二、pthread_join
1、函数定义：
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
2、函数功能：
pthread_join() 子程序阻碍调用程序，直到指定的 threadid 线程终止为止

三、线程存在的问题和临界区
前面我们知道了怎么创建线程，下面我们再来看看这样一个实例，创建100个线程，它们都访问了同一变量，
其中一半对这个变量进行加1操作，一半进行减1操作，按道理其结果会等于0.

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NUM_THREAD 100
void * thread_inc(void * arg);
void * thread_des(void * arg);
long long num = 0;   //long long类型是64位整数型，多线程共同访问

int main(int argc, char *argv[])

    pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
    int i;

    //创建100个线程，一半执行thread_inc,一半执行thread_des
    for(i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
    
        if(i %2)
            pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
        else
            pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
    

    //等待线程返回
    for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
        pthread_join(thread_id[i], NULL);

    printf("result: %lld \n", num);  //+1，-1按道理结果是0
    return 0;


//线程入口函数1
void * thread_inc(void * arg)

    for (int i = 0; i < 50000000; i++)
        num += 1;//临界区(引起问题的语句就是临界区位置)
    return NULL;


//线程入口函数2
void * thread_des(void * arg)

    for (int i = 0; i < 50000000; i++)
        num -= 1;//临界区
    return NULL;


从运行结果看并不是0，而且每次运行的结果都不同。那这是什么原因引起的呢？ 
是因为每个线程访问一个变量是这样一个过程：先从内存取出这个变量值到CPU，
然后CPU计算得到改变后的值，最后再将这个改变后的值写回内存。因此，我们可以很容易看出，
多个线程访问同一变量，如果某个线程还只刚从内存取出数据，还没来得及写回内存，这时其它线程又访问了这个变量，所以这个值就会不正确了。

3.1、接下来我们再来讲讲怎么解决这个问题：线程同步
    互斥量和信号量。

    互斥：
    互斥量技术从字面也可以理解，就是临界区有线程访问，其它线程就得排队等待，它们的访问是互斥的，实现方式就是给临界区加锁与释放锁。

    #include <pthread.h>

    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);  //创建互斥量

    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);//销毁互斥量

    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//加锁

    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//释放锁
    临界区围住一定要lock和unlock一一对应。
    /*扩展临界区，减少加锁，释放锁调用次数，但这样变量必须加满到50000000次后其它线程才能访问.
    这样是延长了线程的等待时间，但缩短了加锁，释放锁函数调用的时间，这里没有定论，自己酌情考虑*/
    void * thread_inc(void * arg)
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);  //互斥量锁住
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            num += 1;
        pthread_mutex_unlock(&mutex); //互斥量释放锁
        return NULL;
    

    /*缩短了线程等待时间，但循环创建，释放锁函数调用时间增加*/
    void * thread_des(void * arg)
    
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
        
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            num -= 1;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        
        return NULL;
    

    信号量:
    号量与互斥量类似，只是互斥量是用锁来控制线程访问而信号量是用二进制0，1来完成控制线程顺序。
    sem_post信号量加1，sem_wait信号量减1，当信号量为0时，sem_wait就会阻断，因此通过这样让信号量加1减1就能控制线程的执行顺序了。

    #include <semaphore.h>

    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);//创建信号量
    int sem_destroy(sem_t *sem);//销毁信号量
    int sem_post(sem_t *sem);//信号量加1
    int sem_wait(sem_t *sem);//信号量减1，为0时阻塞

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

    void * read(void * arg);
    void * accu(void * arg);
    static sem_t sem_one;
    static sem_t sem_two;
    static int num;

    int main(int argc, char *argv[])
    
        pthread_t id_t1, id_t2;
        sem_init(&sem_one, 0, 0);
        sem_init(&sem_two, 0, 1);

        pthread_create(&id_t1, NULL, read, NULL);
        pthread_create(&id_t2, NULL, accu, NULL);

        pthread_join(id_t1, NULL);
        pthread_join(id_t2, NULL);

        sem_destroy(&sem_one);
        sem_destroy(&sem_two);

        return 0;
    

    void * read(void * arg)
    
        int i;
        for (i = 0; i < 5; i++) 
            fputs("Input num: ", stdout);
            sem_wait(&sem_two);
            scanf("%d", &num);
            sem_post(&sem_one);
        
        return NULL;
    

    void * accu(void * arg)
    
        int sum = 0 , i;
        for (i = 0; i < 5; i++) 
            sem_wait(&sem_one);
            sum+= num;
            sem_post(&sem_two);
        
        printf("Result: %d \n", sum);
        return NULL;
    

四.多线程并发服务端的实现