Step by Step：Linux C多线程编程入门(基本API及多线程的同步与互斥)
介绍：什么是线程，线程的优点是什么
线程在Unix系统下，通常被称为轻量级的进程，线程虽然不是进程，但却可以看作是Unix进程的表亲，同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈(call stack)，自己的寄存器环境（register context)，自己的线程本地存储(thread-local storage)。 一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。
线程可以提高应用程序在多核环境下处理诸如文件I/O或者socket I/O等会产生堵塞的情况的表现性能。在Unix系统中，一个进程包含很多东西，包括可执行程序以及一大堆的诸如文件描述符地址空间等资源。在很多情况下，完成相关任务的不同代码间需要交换数据。如果采用多进程的方式，那么通信就需要在用户空间和内核空间进行频繁的切换，开销很大。但是如果使用多线程的方式，因为可以使用共享的全局变量，所以线程间的通信（数据交换）变得非常高效。
Hello World(线程创建、结束、等待）
创建线程 pthread_create
线程创建函数包含四个变量，分别为： 1. 一个线程变量名，被创建线程的标识 2. 线程的属性指针，缺省为NULL即可 3. 被创建线程的程序代码 4. 程序代码的参数 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);结束线程 pthread_exit
线程结束调用实例：
pthread_exit(void *retval); //retval用于存放线程结束的退出状态线程等待 pthread_join
pthread_create调用成功以后，新线程和老线程谁先执行，谁后执行用户是不知道的，这一块取决与操作系统对线程的调度，如果我们需要等待指定线程结束，需要使用pthread_join函数，这个函数实际上类似与多进程编程中的waitpid。 举个例子，以下假设 A 线程调用 pthread_join 试图去操作B线程，该函数将A线程阻塞，直到B线程退出，当B线程退出以后，A线程会收集B线程的返回码。 该函数包含两个参数：
- pthread_t th //th是要等待结束的线程的标识
- void **thread_return //指针thread_return指向的位置存放的是终止线程的返回状态。
调用实例：
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时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 // 线程创建成功，返回0,失败返回失败号 28 if (ret_thrd1 != 0) { 29 printf("线程1创建失败\n"); 30 } else { 31 printf("线程1创建成功\n"); 32 } 33 34 if (ret_thrd2 != 0) { 35 printf("线程2创建失败\n"); 36 } else { 37 printf("线程2创建成功\n"); 38 } 39 40 //同样，pthread_join的返回值成功为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 }
编译
gcc thread_hello_world.c -otest -lpthread 一定要加上-lpthread，要不然会报错，因为源代码里引用了pthread.h里的东西，所以在gcc进行链接的时候，必须要找到这些库的二进制实现代码。运行结果
结果分析： 1.这段程序我运行了两次，可以看到，两次的运行结果是不一样的，从而说明，新线程和老线程谁先执行，谁后执行用户是不知道的，这一块取决与操作系统对线程的调度。 2.另外，我们看到，在thread2的join结果出现了错误，打印出cannot join with thread2其实这个是个小错误，因为,我pthread_join传进去的th是thread1,在上面的结果中，thread1早已经结束了，所以我们再次等待thread1结束肯定会出现无法取到状态的错误的。 3.pthread_join(thread1, &retval)确实等待了thread1的结束，我们看到，在print_message_function函数循环了5遍结束以后，才打印出thread1 end
这是一个非常简单的例子，hello world级别的，只是用来演示Linux下C多线程的使用，在实际应用中，由于多个线程往往会访问共享的资源（典型的是访问同一个全局变量），因此多个县城间存在着竞争的关系，这就需要对多个线程进行同步，对其访问的数据予以保护。
多线程的同步与互斥
方式一：锁
- 在主线程中初始化锁为解锁状态
- pthread_mutex_t mutex;
- pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
- 在编译时初始化锁为解锁状态
- 锁初始化 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- 访问对象时的加锁操作与解锁操作
- 加锁 pthread_mutex_lock(&mutex)
- 释放锁 pthread_mutex_unlock(&mutex)
不加锁，数据不同步
我们先来看一个不加锁，多个线程访问同一段数据的程序。
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时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 }
编译
gcc no_mutex.c -onomutex -lpthread运行分析
从上图可知，我们no_mutex每次的运行结果都不一致，而且，运行结果也不符合我们的预期，出现了错误的结果。 原因就是三个线程竞争访问全局变量sharedi，并且都没有进行相应的同步。
举个例子，当线程thrd1访问到sharedi的时候，sharedi的值是1000,然后线程thrd1将sharedi的值累加到了1001,可是线程thrd2取到sharedi的时候，sharedi的值是1000,这时候线程thrd2对sharedi的值进行加1操作，使其变成了1001,可是这个时候，sharedi的值已经被线程thrd1加到1001了，然而，thrd2并不知道，所以又将sharedi的值赋为了1001,从而导致了结果的错误。
这样，我们就需要一个线程互斥的机制，来保护sharedi这个变量，让同一时刻，只有一个线程能够访问到这个变量，从而使它的值能够保证正确的变化。
加锁，数据同步
通过加锁，保证sharedi变量在进行变更的时候，只有一个线程能够取到，并在在该线程对其进行操作的时候，其它线程无法对其进行访问。
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时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 /*加锁*/ 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 /*解锁锁*/ 47 if (pthread_mutex_unlock(&mutex) != 0) { 48 perror("pthread_mutex_unlock"); 49 exit(EXIT_FAILURE); 50 } 51 } 52 }
结果分析
这一次，我们的结果是正确的，锁有效得保护了我们的数据安全。然而：
- 锁保护的并不是我们的共享变量（或者说是共享内存），对于共享的内存而言，用户是无法直接对其保护的，因为那是物理内存，无法阻止其他程序的代码访问。事实上，锁之所以对关键区域进行了保护，在本例中，是因为所有线程都遵循了一个规则，那就是在进入关键区域钱加
同一把锁，在退出关键区域钱释放同一把锁 - 我们从上述运行结果中可以看到，加锁是会带来额外的开销的，加锁的代码其运行速度，明显比不加锁的要慢一些，所以，在使用锁的时候，要合理，在不需要对关键区域进行保护的场景下，我们便不要画蛇添足，为其加锁了
方式二：信号量
锁有一个很明显的缺点，那就是它
只有两种状态：锁定与不锁定。
信号量本质上是一个非负数的整数计数器，它也被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加的时候，调用信号量增加函数sem_post()对其进行增加，当公共资源减少的时候，调用函数sem_wait()来减少信号量。其实，我们是可以把锁当作一个0-1信号量的。
它们是在
/usr/include/semaphore.h中进行定义的，信号量的数据结构为sem_t, 本质上，它是一个long型整数相关函数
在使用semaphore之前，我们需要先引入头文件
#include <semaphore.h>- 初始化信号量：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);- 成功返回0，失败返回-1
- 参数
- sem：指向信号量结构的一个指针
- pshared： 不是0的时候，该信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程们共享
- value：信号量的初始值
- 信号量减1操作，当sem=0的时候该函数会堵塞
int sem_wait(sem_t *sem);- 成功返回0，失败返回-1
- 参数
- sem：指向信号量的一个指针
- 信号量加1操作
int sem_post(sem_t *sem);- 参数与返回同上
- 销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);- 参数与返回同上
代码示例
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时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 // 生产者 20 void provide_data(void) { 21 int i; 22 for (i=0; i< MAXSIZE; i++) { 23 stack[i] = i; 24 sem_post(&sem); //为信号量加1 25 } 26 } 27 28 // 消费者 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); //信号量初始化 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); //销毁信号量 48 49 return 0; 50 }
运行结果：
因为信号量机制的存在，所以代码在handle_data的时候，如果sem_wait(&sem)时，sem为0,那么代码会堵塞在sem_wait上面，从而避免了在stack中访问错误的index而使整个程序崩溃。
c++ 11之后的解决方案：
//https://blog.csdn.net/lizi_stdio/article/details/53762483
// thread example#include <iostream> // std::cout std::cin
#include <thread> // std::thread
using namespace std;
void foo()
{
// do stuff...
for(int i = 0; i < 100; ++i)
{
cout << "foo() i: " << i << "\n";
}
}
void bar(int x)
{
// do stuff...
for(int j = x; j < 200; ++j)
{
cout << "bar() j: " << j << "\n";
}
}
int main()
{
std::cout << "main, foo and bar now execute concurrently...\n\n";
std::thread first(foo); // spawn new thread that calls foo()
std::thread second(bar, 100); // spawn new thread that calls bar(0)
// synchronize threads:
first.join(); // pauses until first finishes
second.join(); // pauses until second finishes
std::cout << "foo and bar completed.\n\n";
std::cin.get();
return 0;
}
参考资料
- [1] http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html
- [2] 《Linux下C语言应用编程》(北京航空航天大学出版社）
- [3] getting started with posix thread
- [4] https://www.cnblogs.com/fuyunbiyi/p/3475602.html
- [5] https://blog.csdn.net/lizi_stdio/article/details/53762483
- [6] https://www.jb51.net/article/112035.htm linux下的C\C++多进程多线程编程实例详解
分类: 读书笔记
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ReplyDeleteMust try this Impossible Moto Racing
c编程语言代码示例
ReplyDeletec编程中的treesort字符串数组样本