Step by Step：Linux C多線(xiàn)程編程入門(mén)(基本API及多線(xiàn)程的同步與互斥)
介紹：什么是線(xiàn)程，線(xiàn)程的優(yōu)點(diǎn)是什么
線(xiàn)程在Unix系統(tǒng)下，通常被稱(chēng)為輕量級(jí)的進(jìn)程，線(xiàn)程雖然不是進(jìn)程，但卻可以看作是Unix進(jìn)程的表親，同一進(jìn)程中的多條線(xiàn)程將 共享該進(jìn)程中的全部系統(tǒng)資源，如虛擬地址空間，文件描述符和信號(hào)處理等等 。但同一進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程 有各自的調(diào)用棧(call stack)，自己的寄存器環(huán)境（register context)，自己的線(xiàn)程本地存儲(chǔ)(thread-local storage) 。 一個(gè)進(jìn)程可以有很多線(xiàn)程，每條線(xiàn)程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。
線(xiàn)程可以提高應(yīng)用程序在多核環(huán)境下處理諸如文件I/O或者socket I/O等會(huì)產(chǎn)生堵塞的情況的表現(xiàn)性能。在Unix系統(tǒng)中，一個(gè)進(jìn)程包含很多東西，包括可執(zhí)行程序以及一大堆的諸如文件描述符地址空間等資源。在很多情況下，完成相關(guān)任務(wù)的不同代碼間需要交換數(shù)據(jù)。如果采用多進(jìn)程的方式，那么通信就需要在用戶(hù)空間和內(nèi)核空間進(jìn)行頻繁的切換，開(kāi)銷(xiāo)很大。但是如果使用多線(xiàn)程的方式，因?yàn)榭梢允褂霉蚕淼娜肿兞浚跃€(xiàn)程間的通信（數(shù)據(jù)交換）變得非常高效。
Hello World(線(xiàn)程創(chuàng)建、結(jié)束、等待）
創(chuàng)建線(xiàn)程 pthread_create
線(xiàn)程創(chuàng)建函數(shù)包含四個(gè)變量，分別為： 1. 一個(gè)線(xiàn)程變量名，被創(chuàng)建線(xiàn)程的標(biāo)識(shí) 2. 線(xiàn)程的屬性指針，缺省為NULL即可 3. 被創(chuàng)建線(xiàn)程的程序代碼 4. 程序代碼的參數(shù) 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);
結(jié)束線(xiàn)程 pthread_exit
線(xiàn)程結(jié)束調(diào)用實(shí)例：
pthread_exit(void *retval);
?//retval用于存放線(xiàn)程結(jié)束的退出狀態(tài)
線(xiàn)程等待 pthread_join
pthread_create調(diào)用成功以后，新線(xiàn)程和老線(xiàn)程誰(shuí)先執(zhí)行，誰(shuí)后執(zhí)行用戶(hù)是不知道的，這一塊取決與操作系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)程的調(diào)度，如果我們需要等待指定線(xiàn)程結(jié)束，需要使用pthread_join函數(shù)，這個(gè)函數(shù)實(shí)際上類(lèi)似與多進(jìn)程編程中的waitpid。 舉個(gè)例子，以下假設(shè) A 線(xiàn)程調(diào)用 pthread_join 試圖去操作B線(xiàn)程，該函數(shù)將A線(xiàn)程阻塞，直到B線(xiàn)程退出，當(dāng)B線(xiàn)程退出以后，A線(xiàn)程會(huì)收集B線(xiàn)程的返回碼。 該函數(shù)包含兩個(gè)參數(shù)：
- pthread_t th //th是要等待結(jié)束的線(xiàn)程的標(biāo)識(shí)
- void **thread_return //指針thread_return指向的位置存放的是終止線(xiàn)程的返回狀態(tài)。
調(diào)用實(shí)例：
pthread_join(thrd1, NULL);
example1：
1
/*
************************************************************************
2
> File Name: thread_hello_world.c
3
> Author: couldtt(fyby)
4
> Mail: fuyunbiyi@gmail.com
5
> Created Time: 2013年12月14日 星期六 11時(shí)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
//
線(xiàn)程創(chuàng)建成功，返回0,失敗返回失敗號(hào)
28
if
(ret_thrd1 !=
0
) {
29
printf(
"
線(xiàn)程1創(chuàng)建失敗\n
"
);
30
}
else
{
31
printf(
"
線(xiàn)程1創(chuàng)建成功\n
"
);
32
}
33
34
if
(ret_thrd2 !=
0
) {
35
printf(
"
線(xiàn)程2創(chuàng)建失敗\n
"
);
36
}
else
{
37
printf(
"
線(xiàn)程2創(chuàng)建成功\n
"
);
38
}
39
40
//
同樣，pthread_join的返回值成功為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
}
?
編譯
gcc thread_hello_world.c -otest -lpthread
?一定要加上
-lpthread
，要不然會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)樵创a里引用了pthread.h里的東西，所以在gcc進(jìn)行鏈接的時(shí)候，必須要找到這些庫(kù)的二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)代碼。
運(yùn)行結(jié)果
?結(jié)果分析： 1.這段程序我運(yùn)行了兩次，可以看到，兩次的運(yùn)行結(jié)果是不一樣的，從而說(shuō)明，
新線(xiàn)程和老線(xiàn)程誰(shuí)先執(zhí)行，誰(shuí)后執(zhí)行用戶(hù)是不知道的，這一塊取決與操作系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)程的調(diào)度
。 2.另外，我們看到，在thread2的join結(jié)果出現(xiàn)了錯(cuò)誤，打印出
cannot join with thread2
其實(shí)這個(gè)是個(gè)小錯(cuò)誤，因?yàn)?我pthread_join傳進(jìn)去的th是thread1,在上面的結(jié)果中，thread1早已經(jīng)結(jié)束了，所以我們?cè)俅蔚却齮hread1結(jié)束肯定會(huì)出現(xiàn)無(wú)法取到狀態(tài)的錯(cuò)誤的。 3.pthread_join(thread1, &retval)確實(shí)等待了thread1的結(jié)束，我們看到，在
print_message_function
函數(shù)循環(huán)了5遍結(jié)束以后，才打印出thread1 end
這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，hello world級(jí)別的，只是用來(lái)演示Linux下C多線(xiàn)程的使用，在實(shí)際應(yīng)用中，由于多個(gè)線(xiàn)程往往會(huì)訪問(wèn)共享的資源（典型的是訪問(wèn)同一個(gè)全局變量），因此多個(gè)縣城間存在著競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，這就需要對(duì)多個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行同步，對(duì)其訪問(wèn)的數(shù)據(jù)予以保護(hù)。
多線(xiàn)程的同步與互斥
方式一：鎖
-
在主線(xiàn)程中初始化鎖為解鎖狀態(tài)
- pthread_mutex_t mutex;
- pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
-
在編譯時(shí)初始化鎖為解鎖狀態(tài)
- 鎖初始化 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
-
訪問(wèn)對(duì)象時(shí)的加鎖操作與解鎖操作
- 加鎖 pthread_mutex_lock(&mutex)
- 釋放鎖 pthread_mutex_unlock(&mutex)
不加鎖，數(shù)據(jù)不同步
我們先來(lái)看一個(gè)不加鎖，多個(gè)線(xiàn)程訪問(wèn)同一段數(shù)據(jù)的程序。
1
/*
************************************************************************
2
> File Name: no_mutex.c
3
> Author: couldtt(fyby)
4
> Mail: fuyunbiyi@gmail.com
5
> Created Time: 2013年12月15日 星期日 17時(shí)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
}
?
編譯
gcc no_mutex.c -onomutex -lpthread
運(yùn)行分析
從上圖可知，我們no_mutex每次的運(yùn)行結(jié)果都不一致，而且，運(yùn)行結(jié)果也不符合我們的預(yù)期，出現(xiàn)了錯(cuò)誤的結(jié)果。 原因就是三個(gè)線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)全局變量sharedi，并且都沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的同步。
舉個(gè)例子，當(dāng)線(xiàn)程thrd1訪問(wèn)到sharedi的時(shí)候，sharedi的值是1000,然后線(xiàn)程thrd1將sharedi的值累加到了1001,可是線(xiàn)程thrd2取到sharedi的時(shí)候，sharedi的值是1000,這時(shí)候線(xiàn)程thrd2對(duì)sharedi的值進(jìn)行加1操作，使其變成了1001,可是這個(gè)時(shí)候，sharedi的值已經(jīng)被線(xiàn)程thrd1加到1001了，然而，thrd2并不知道，所以又將sharedi的值賦為了1001,從而導(dǎo)致了結(jié)果的錯(cuò)誤。
這樣，我們就需要一個(gè)線(xiàn)程互斥的機(jī)制，來(lái)保護(hù)sharedi這個(gè)變量，讓同一時(shí)刻，只有一個(gè)線(xiàn)程能夠訪問(wèn)到這個(gè)變量，從而使它的值能夠保證正確的變化。
加鎖，數(shù)據(jù)同步
通過(guò)加鎖，保證sharedi變量在進(jìn)行變更的時(shí)候，只有一個(gè)線(xiàn)程能夠取到，并在在該線(xiàn)程對(duì)其進(jìn)行操作的時(shí)候，其它線(xiàn)程無(wú)法對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。
1
/*
************************************************************************
2
> File Name: mutex.c
3
> Author: couldtt(fyby)
4
> Mail: fuyunbiyi@gmail.com
5
> Created Time: 2013年12月15日 星期日 17時(shí)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
/*
加鎖
*/
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
/*
解鎖鎖
*/
47
if
(pthread_mutex_unlock(&mutex) !=
0
) {
48
perror(
"
pthread_mutex_unlock
"
);
49
exit(EXIT_FAILURE);
50
}
51
}
52
}
?
結(jié)果分析
這一次，我們的結(jié)果是正確的，鎖有效得保護(hù)了我們的數(shù)據(jù)安全。然而：
-
鎖保護(hù)的并不是我們的共享變量（或者說(shuō)是共享內(nèi)存），對(duì)于共享的內(nèi)存而言，用戶(hù)是無(wú)法直接對(duì)其保護(hù)的，因?yàn)槟鞘俏锢韮?nèi)存，無(wú)法阻止其他程序的代碼訪問(wèn)。事實(shí)上，鎖之所以對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了保護(hù)，在本例中，是因?yàn)樗芯€(xiàn)程都遵循了一個(gè)規(guī)則，那就是在進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)域錢(qián)加
同一把鎖，在退出關(guān)鍵區(qū)域錢(qián)釋放同一把鎖 -
我們從上述運(yùn)行結(jié)果中可以看到，加鎖是會(huì)帶來(lái)額外的開(kāi)銷(xiāo)的，加鎖的代碼其運(yùn)行速度，明顯比不加鎖的要慢一些，所以，在使用鎖的時(shí)候，要合理，在不需要對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行保護(hù)的場(chǎng)景下，我們便不要畫(huà)蛇添足，為其加鎖了
方式二：信號(hào)量
鎖有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，那就是它
只有兩種狀態(tài)
：鎖定與不鎖定。
信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)數(shù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它也被用來(lái)控制對(duì)公共資源的訪問(wèn)。當(dāng)公共資源增加的時(shí)候，調(diào)用信號(hào)量增加函數(shù)sem_post()對(duì)其進(jìn)行增加，當(dāng)公共資源減少的時(shí)候，調(diào)用函數(shù)sem_wait()來(lái)減少信號(hào)量。其實(shí)，我們是可以把鎖當(dāng)作一個(gè)0-1信號(hào)量的。
它們是在
/usr/include/semaphore.h
中進(jìn)行定義的，信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為sem_t, 本質(zhì)上，它是一個(gè)long型整數(shù)
相關(guān)函數(shù)
在使用semaphore之前，我們需要先引入頭文件
#include <semaphore.h>
-
初始化信號(hào)量：?
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);- 成功返回0，失敗返回-1
- 參數(shù)
- sem：指向信號(hào)量結(jié)構(gòu)的一個(gè)指針
- pshared： 不是0的時(shí)候，該信號(hào)量在進(jìn)程間共享，否則只能為當(dāng)前進(jìn)程的所有線(xiàn)程們共享
- value：信號(hào)量的初始值
-
信號(hào)量減1操作，當(dāng)sem=0的時(shí)候該函數(shù)會(huì)堵塞?
int sem_wait(sem_t *sem);- 成功返回0，失敗返回-1
- 參數(shù)
- sem：指向信號(hào)量的一個(gè)指針
-
信號(hào)量加1操作?
int sem_post(sem_t *sem);- 參數(shù)與返回同上
-
銷(xiāo)毀信號(hào)量?
int sem_destroy(sem_t *sem);- 參數(shù)與返回同上
代碼示例
1
/*
************************************************************************
2
> File Name: sem.c
3
> Author: couldtt(fyby)
4
> Mail: fuyunbiyi@gmail.com
5
> Created Time: 2013年12月15日 星期日 19時(shí)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
//
生產(chǎn)者
20
void
provide_data(
void
) {
21
int
i;
22
for
(i=
0
; i< MAXSIZE; i++
) {
23
stack[i] =
i;
24
sem_post(&sem);
//
為信號(hào)量加1
25
}
26
}
27
28
//
消費(fèi)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
);
//
信號(hào)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);
//
銷(xiāo)毀信號(hào)量
48
49
return
0
;
50
}
?
運(yùn)行結(jié)果：
因?yàn)樾盘?hào)量機(jī)制的存在，所以代碼在handle_data的時(shí)候，如果sem_wait(&sem)時(shí)，sem為0,那么代碼會(huì)堵塞在sem_wait上面，從而避免了在stack中訪問(wèn)錯(cuò)誤的index而使整個(gè)程序崩潰。
參考資料
- [1]? http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html
- [2] 《Linux下C語(yǔ)言應(yīng)用編程》(北京航空航天大學(xué)出版社）
- [3]? getting started with posix thread
Step by Step：Linux C多線(xiàn)程編程入門(mén)(基本API及多線(xiàn)程的同步與互斥)
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