深入理解多线程

一、线程基本概念

1、概述

线程是允许应用程序并发的一种机制。线程共享进程内的所有资源。

线程是调度的基本单位。

每个线程都有自己的 errno。

所有 pthread 函数均以返回 0 表示成功，返回一个正值表示失败。

编译 pthread 程序需要添加链接库（-lpthread）。

线程的主要优势在于，能够通过全局变量来共享信息。同时也引入一个问题，多个线程对临界资源的竞争。

2、线程终止方式

1、线程函数执行 return 语句并返回指定值。

2、线程调用 pthread_exit。

3、调用 pthread_cancel() 取消线程。

4、任意线程调用 exit(), 或者主线程执行 return 语句。

二、Pthreads 数据类型

三、线程接口

1、创建线程

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

pthread_create() 创建线程通过调用带有 arg 参数的 start_routine 函数开始执行。

2、终止线程

#include <pthread.h>void pthread_exit(void *retval);

3、线程 ID

#include <pthread.h>// 获取当前线程 ID
pthread_t pthread_self(void);// 判断 2 个线程ID是否相等
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

4、连接已终止的线程

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

pthread_join 等待由 thread 标识的线程终止。

如果 pthread_join 传入一个之前已经连接过的线程 ID，将导致无法预知的行为。

默认情况下，线程是可连接的(join)，也就是程序退出时，其他线程可以通过调用 pthread_join() 获取其返回状态。

5、线程分离

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

有时，我们不关心程序的返回状态，只是希望系统在线程终止时能够自动清理并移除。在这种情况下，可以调用 pthread_detach 并向 thread 参数传入指定线程的标识符，将该线程标记为处于分离状态。

线程可以通过调用 pthread_detach() 实现自行分离。

一旦线程处于分离状态，就不能再使用 pthread_join() 获取其状态，也无法使其重返可连接状态。

6、线程取消

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

7、线程可取消性检查

#include <pthread.h>void pthread_testcancel(void);

8、清理函数

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

9、向线程发送信号

#include <signal.h>int pthread_kill(pthread_t thread, int sig);

#include <signal.h>
#include <pthread.h>int pthread_sigqueue(pthread_t thread, int sig,const union sigval value);

10、操作线程信号掩码

#include <signal.h>int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

四、线程属性

五、线程同步 - 保护共享变量的访问：互斥量

1、分配互斥量

1、静态分配

pthread_mutex_t mutex;

2、动态分配

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

2、销毁互斥量

#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

3、加锁和解锁互斥量

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

调用 pthread_mutex_lock() 锁定互斥量。如果互斥量当前处于未锁定状态，该调用将锁定互斥量并立即返回。如果互斥量处于锁定状态，pthread_mutex_lock() 调用会一直阻塞，直到该互斥量被解锁。

pthread_mutex_unlock() 解锁调用线程锁定的互斥量，以下行为均为错误：

1、对未锁定的互斥量进行解锁。

2、解锁其他线程锁定的互斥量。

4、互斥量死锁

5、互斥量属性

6、互斥量类型

1、PTHREAD_MUTEX_NORMAL

不具备死锁自检功能。

线程试图对已由自己锁定的互斥量加锁，则发生死锁。

互斥量处于未锁定状态，或由其他线程锁定，对其解锁会导致不确定的结果。

2、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK

此类互斥量的所有操作都会执行错误检查。

可以作为调试工具，以发现程序在哪里违反了互斥量使用的基本原则。

3、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE

该互斥量维护一个锁计数器。当线程第一次取得互斥量时，会将锁定计数器置1，后续同一线程的每次加锁操作会递增锁定计数器的数值，而解锁操作则会递减计数器计数，只有锁计数器值降至0时，才会释放。

六、线程同步 - 通知状态的改变：条件变量

条件变量允许一个线程就某个共享变量(或其他共享资源)的状态变化通知其他线程。

条件变量总是结合互斥量使用。

所有线程都应该处理虚假的唤醒。

条件变量并不保存状态信息，只是传递应用程序状态信息的一种通讯机制。发送信号时，若无任何线程在等待条件变量，这个信号也就不了了之。

1、分配条件变量

1、静态分配

pthread_cond_t cond;

2、动态分配

#include <pthread.h>int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2、销毁条件变量

#include <pthread.h>int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

3、通知条件变量

#include <pthread.h>// 至少唤起一个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 唤起所有阻塞线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

4、等待条件变量

#include <pthread.h>int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

七、线程安全

1、可重入性

要诀：避免使用全局变量和静态变量。

2、一次性初始化

#include <pthread.h>int pthread_once(pthread_once_t *once_control,void (*init_routine)(void));
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

3、线程特有数据

4、线程局部存储

附录一：多线程示例

1、main.c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void* pthread_message_function(void *ptr);int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t pthreadID1,pthreadID2;int ret = 0;char *message1 = "thread1";char *message2 = "thread2";/* 1、创建线程1 */ret = pthread_create(&pthreadID1,NULL,pthread_message_function,(void*)message1);if(ret != 0){printf("%s create fail!\r\n",message1);}else{printf("%s create sucess!\r\n",message1);}/* 2、创建线程2 */ret = pthread_create(&pthreadID2,NULL,pthread_message_function,(void*)message2);if(ret != 0){printf("%s create fail!\r\n",message2);}else{printf("%s create sucess!\r\n",message2);}/* 3、休眠一定时间，等待子线程结束 */sleep(10);printf("main thread exit\r\n");return 0;
}void* pthread_message_function(void *ptr)
{int i = 0;/* 分离线程 - 避免僵尸线程产生 */pthread_detach(pthread_self());/* 业务逻辑 */for (i; i<5; i++) {printf("%s thread: %d\n", (char *)ptr, i);sleep(1);}
}

2、makefile

a.out: main.cgcc main.c -o a.out -lpthread.PHONY : clean 
clean:rm -rf a.out

3、测试

[root@localhost pthread]# make
gcc main.c -o a.out -lpthread
[root@localhost pthread]# ls
a.out  main.c  makefile
[root@localhost pthread]# ./a.out 
thread1 create sucess!
thread2 create sucess!
thread2 thread: 0
thread1 thread: 0
thread2 thread: 1
thread1 thread: 1
thread2 thread: 2
thread1 thread: 2
thread2 thread: 3
thread1 thread: 3
thread2 thread: 4
thread1 thread: 4
main thread exit
[root@localhost pthread]#