APUE学习笔记6——线程和线程同步

1 概念

线程是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。

线程包含了表示进程执行环境必须的信息，包括线程ID，一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字和errno变量以及线程私有数据。

采用多线程的好处：

• 通过为每种事件类型的处理分配不同的线程，能够简化处理异步事件的代码。
• 多个进程必须采用复杂的方式才能实现内存和文件描述符的共享，而线程可以访问相同的存储空间和文件描述符。
• 通过分解成多个线程可以增加程序的吞吐量。
• 交互的程序依赖于多线程实现响应时间的改善。

1.1 线程标识

每个线程有个线程ID，线程ID只在它所属的进程里有效，用pthread_t数据类型来表示。

#include <pthread.h>
/*进程ID不能直接比较*/
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t pid2);
/*若相等返回非0值，不等返回0*/
pthread_t pthread_self(void);
/*返回自己的线程ID*/

2 线程创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg);
/*成功返回0，否则返回错误编号*/

当pthread_create成功返回时，由tidp所指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。

attr参数用于定制线程的不同属性。

新创建的线程从start_rtn处开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg。

注意：新线程和主线程的执行先后顺序是不确定的。

3 线程终止

如果进程中的任意一个线程调用了exit、_Exit或_exit，那么整个进程就会终止。当信号的默认动作是终止进程，把该信号发送到线程也会终止整个进程。

单个线程可以以下三种方式退出：

• 线程从启动例程中返回。
• 线程被同一进程中其他线程取消。
• 线程调用pthread_exit

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *rval_ptr);//rvta_ptr为线程终止返回值

/*访问其他线程终止的返回值，等待*/
int pthread_join(pthread_t tid, void **rval_ptr);

/*请求取消同一进程中的其他线程，不等待*/
int pthread_cancel(pthread_t tid);

线程可以安排它退出时需要调用的函数

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);//清理函数为rtn，参数为arg
void pthread_cleanup_pop(int execute);//如果execute为0，则清理函数将不被调用

线程执行以下动作时调用清理函数

• 调用pthread_exit时
• 相应pthread_cancel请求时
• 用非0参数调用pthread_cleanup_pop时

现在可以看出线程函数和进程函数之间的相似之处：

进程原语	线程原语	描述
fork	pthread_create	创建新的控制流
exit	pthread_exit	从现有控制流中退出
waitpid	pthread_join	从控制流中得到退出状态
atexit	pthread_cancel_push	注册在退出控制流时调用的函数
getpid	pthread_self	获取控制流ID
abort	pthread_cancel	请求控制流的非正常退出

默认情况下，线程的终止状态会保留到对该线程调用pthread_join，如果线程已经处于分离状态，线程的底层资源可以在线程终止时立刻被收回。

/*调用pthread_detach函数使线程处于分离状态*/
#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);//成功返回0，失败返回错误编号

当线程被分离时，不能使用pthread_join函数等待它的终止状态。

4 线程同步　　

当多个线程共享相同的内存单元时，就容易出现每个线程看到的数据不一致的问题。当多个线程都要修改某个变量时，就需要对它们进行同步，以确保它们在任意的时刻都不会访问到无效的数值。

为了解决这个问题，线程不得不使用锁，同一时间只允许一个线程访问这个变量。

4.1 互斥量

互斥量（mutex）本质上是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问后释放互斥量上的锁。对互斥量加锁之后，如果其他线程试图访问将被阻塞直到当前进程释放该互斥锁。

互斥变量用pthread_mutex_t数据类型来表示。使用之前必须先进行初始化，可以把它设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。如果动态地分配互斥量（例如malloc），那么在释放内存前需要调用pthread_mutex_destory。

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restric mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
/*attr为属性参数，设置attr为NULL则默认参数*/

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//加锁成功返回0，失败返回EBUSY

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

/*若成功返回0，否则返回错误编号*/

如果互斥量已经上锁，线程调用pthread_mutex_lock将阻塞直到互斥量被解锁。如果不希望被阻塞，则调用pthread_mutex_trylock

4.2 避免死锁

如果线程试图对同一个互斥量加锁两次，就会进入死锁状态。两个线程试图互相锁住对方拥有的互斥量，也会陷入死锁状态。

可以小心控制互斥量加锁的顺序来防止死锁发生。也可以先释放占有的锁，过一段时间再试。

4.3 读写锁

读写锁与互斥量相似，不过读写锁允许更高的并行性。读写锁有三个状态：读加锁、写加锁和不加锁状态。一次只允许一个线程占用写锁，但是多个线程可以同时占用读锁。

目前读写锁的状态	其他线程试图的动作	结果
写加锁状态	对这个锁加锁（读或写）	阻塞直到锁被释放
读加锁状态	对这个锁进行读模式的加锁	可以获得访问权
读加锁状态	对这个锁进行写模式的加锁	阻塞直到锁被释放，并且会阻塞随后的读模式加锁，避免读模式被长期占用

读写锁非常适合读大于写的状况。读写锁又叫共享-独占锁，读模式是共享的，写模式是独占的。

和互斥锁一样，读写锁使用之前必须初始化，在释放它的内存资源之前必须销毁它。

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr); //attr可以为NULL

int pthread_rwlock_destory(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock); //可能对获取锁的数量限制，注意检查其返回值

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock); //有条件的读写锁

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

/*上述函数返回值：若成功返回0，否则返回错误编号*/

4.4 条件变量

条件变量和互斥量一起用的时候，允许线程以无竞争的方式等待特定条件的发生。

条件变量本身由互斥量保护的，所以线程在改变条件之前必须锁住互斥量。

条件变量使用之前必须初始化，可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量，在释放它的内存资源之前必须销毁它。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr); //attr可以为NULL

int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *restrict cond);

int pthread_cond_wait(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_mutex_t *restrict mutex);

int pthread_cond_timewait(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict timeout);

/*上述函数返回值是：成功返回0，否则返回错误编号*/

struct timespec{
        time_t tv_sec; //秒
        long tv_nsec; //毫秒
        //时间值是一个绝对数，需要将当前时间加上要等待的时间
}

pthread_cond_wait等待条件变为真，调用者把锁住的互斥量传递给pthread_cond_wait的进行保护，函数把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后对互斥量进行解锁，这两个操作是原子操作。pthread_cond_wait返回时，互斥量再次被锁住。有两个函数用于通知线程条件已经满足。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); //唤醒等待该条件的某个线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //唤醒等待该条件的所有线程

/*成功返回0，否则返回错误编号*/
/*一定要改变条件状态之后再给线程发送信号*/

（完）