Linux 多线程

前面博客中的进程是程序执行和资源分配的基本单位。每个进程有自己的储存空间

而线程是进程内的基本调度单位，同一个进程内的所有线程共享一个进程的资源。

父子进程中并不共享内存，所以只能通过IPC的方式进行进程之间的信息交换

线程可以共享进程中的资源，但是要注意避免多个线程同时修改同一份信息，所以需要同步。

有线程的代码再编译的时候要手动链接库，在gcc 后面加上 -lpthread

线程的头文件 <pthread.h>

线程ID

就像进程一样，每个线程有自己的ID，通过这个函数获取调用者的ID

       #include <pthread.h>

       pthread_t pthread_self(void);

返回值即为线程的ID，该函数不会失败。

返回值类型pthread_t 被定义为一个 unsigned long 所以打印要用%u，但其他实现中可能是一个结构体类型

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t id;
    id = pthread_self();
    printf("%lu
",id);
    return 0;
}

运行结果

这ID很长 

可以使用下面函数来对比两个线程ID是否相同

       #include <pthread.h>

       int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

返回值为0表示两个ID不相等。

线程的创建

       #include <pthread.h>

       int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);

thread　　指想新进程的ID

attr　　　 线程属性 ， NULL默认值

start_routine　　　　线程执行时调用的函数

arg　　　　　　　　前面那个函数的参数

ptyread_create() 线程被创建后立即执行。

返回值：成功返回0，失败返回非0的错误码

终止线程

       #include <pthread.h>

       void pthread_exit(void *retval);

retval　　可以用来传返回值

上面的是自己调用终止自己的线程，还有一个能杀死别人的线程的函数

       int pthread_cancel(pthread_t thread);

这个容易出现意外，一般情况不使用。

试一下这两个函数

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void firstPthread(void)
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        printf("firstPthread : %d
",i);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void secondPthread(void)
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        printf("secondPthread : %d
",i);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t id,id1,id2;
    int ret;
    id = pthread_self();
    printf("%lu
",id);

    ret = pthread_create(&id1,NULL,(void*)firstPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("firstPthread failed");
    }

    ret = pthread_create(&id2,NULL,(void*)secondPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("secondPthread failed");    
    }


    return 0;
}

我运行了无数次，结果都不理想

 为什么？

仔细检查了所有代码。没有任何问题。

那么为什么连一句话都打不出来呢？甚至都不报错？

看下面的图

 在主函数中有一个主线程在执行

当执行到firstPthread() 时，开启第一条子线程，

子线程执行的同时，主线程仍然继续执行，又碰到了第二个创建线程 secondPthread()

遂又开启了第二条线程函数，此时 主线程，子线程1，子线程2同时在运行。

然鹅，这个时候，主线程运行到了return 0 ;  主线程的生命即将终结。

可是两个子线程还没有运行完，但是主线程不管这么多，他要执行他的代码。

而当主线程结束的时候，一切都结束了。

所以我们就能看到上面测试过程中，有的时候能看的到子线程1或者子线程2执行了1次 2次。

他们抢在主线程死亡前。。发出了生命最后的呐喊，然后随着主线程一起香消玉殒。。。

既然知道了这个原理，我们就可以解决这个问题了，可以在主线程加一个延时函数，等到子线程结束，主线程再结束

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t id,id1,id2;
    int ret;
    id = pthread_self();
    printf("%lu
",id);

    ret = pthread_create(&id1,NULL,(void*)firstPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("firstPthread failed");
    }

    ret = pthread_create(&id2,NULL,(void*)secondPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("secondPthread failed");    
    }

    sleep(20);

    return 0;
}

果然，这样程序就可以正常执行到主线程结束了

更多时候我们加一个线程等待函数

       #include <pthread.h>

       int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

thread　　要等待的线程ID

retval　　 二级指针，用来储存被等待线程的返回值

创建线程时中有个参数

attr　　如果填写NULL，则写入默认属性，默认是非分离属性。(分离：线程结束时资源会自动释放)

　　　 而NULL创建线程资源不会自动释放，所以需要手动调用用函数pthread_join()，来进行回收资源+等待的作用

可以调用这个函数将 非分离 的线程转化为 分离 线程

       int pthread_detach(pthread_t thread);

传入要设置的线程的ID，返回值为0成功，非0失败。

加入后主函数代码如下：

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t id,id1,id2;
    int ret;
    id = pthread_self();
    printf("%lu
",id);

    ret = pthread_create(&id1,NULL,(void*)firstPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("firstPthread failed");
    }

    ret = pthread_create(&id2,NULL,(void*)secondPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("secondPthread failed");    
    }

    pthread_join(id1,NULL); 
    pthread_join(id2,NULL);

    return 0;
}

接下来我们试一下传参和返回值

还是原来得代码，我把有改动的地方标记出来

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void firstPthread(void *arg)
{
    int *val = (int *)arg;//定义一个int型指针，接收传入的参数
    int *sum = (int *)malloc(sizeof(int *));//在堆区申请一块空间用来保存返回值
　　//注意这里不能在栈上申请，因为局部变量在函数结束的时候被释放，到时候我们的返回值就消失了

　　//下面使用刚才传入的参数作为循环次数，同时对返回值进行累加
    for (int i = 0; i < *val; ++i)
    {
        printf("firstPthread : %d
",i);
        sleep(1);
        sum[0]++;
    }

    printf("In firstPthread sum is :%d
", sum[0]);
　　//传出函数的返回值
    pthread_exit(sum);
}

void secondPthread(void)
{
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
    {
        printf("secondPthread : %d
",i);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t id,id1,id2;
    int ret;
　　//在主函数中定义要传入的参数和返回值，因为返回值用二级指针承接，所以将其定义为void指针。
    int val = 6;
    void *returnFirstPthread;
    id = pthread_self();
    printf("%lu
",id);

　　//传入参数（的地址）
    ret = pthread_create(&id1,NULL,(void*)firstPthread,&val);
    if(ret != 0)
    {
        printf("firstPthread failed");
    }

    ret = pthread_create(&id2,NULL,(void*)secondPthread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("secondPthread failed");    
    }

　　//使用指针的地址作为接收参数
    pthread_join(id1,&returnFirstPthread); 
    pthread_join(id2,NULL);
　　
    printf("firstPthread return value :%d
", *(int *)returnFirstPthread);

    return 0;
}

运行结果如下：

 可以看出来我们的参数传递进去，返回值也成功传出来了。

 我又写了一个试验，让三个进程同时操作一个常量，每操作一次 -1.小于1时返回

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>


void a(void *arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    if(*sum > 0)
    {
        printf("a --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void b(void * arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    if(*sum > 0)
    {
        printf("b --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void c(void * arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    if(*sum > 0)
    {
        printf("c --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sum = 10;
    pthread_t id1,id2,id3;


    while(sum > 0)
    {
        pthread_create(&id1,NULL,(void *)a,&sum);
        pthread_create(&id2,NULL,(void *)b,&sum);
        pthread_create(&id3,NULL,(void *)c,&sum);
    }

    pthread_join(id1,NULL);
    pthread_join(id2,NULL);
    pthread_join(id3,NULL);


    exit(0);
}

按照一贯的思路，应该是由abc分别打印出10987654321，然鹅，运行结果：

 10被用了2次，到0的时候也没有立即返回。

其实原理和我们上面画的那个图类似，在第一个线程还没有返回的时候，第二个线程已经开始了他的表演。

这就造成了a，b都打出来了10的现象，后面也是相同的

这个时候，我可以采取一个办法保护我们主函数中的sum，同时只允许一个线程操作sum

 那么我们就需要给这个变量上个锁。

每当一个线程要操作sum之前，先给他上锁，在使用完成之后再解锁，

在资源被锁住期间如果有其他线程想使用这个资源，那么就只能等待(阻塞)，直到这个保护被取消，

那么同样的，接下来使用资源的线程也要用上锁解锁的方式去保护这个资源

这里我们就用到了互斥锁(互斥量)

 如果linux中man手册搜不到下列函数，可以安装sudo apt-get install manpages-posix-dev

 互斥锁创建、销毁

       #include <pthread.h>

       int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

mutex　　只想需要初始化的互斥量的指针

attr　　    定义互斥锁的属性，如果填NULL 则设为默认值

　　　　PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：创建快速互斥锁 （用了锁就要解，用一次就解一次）

　　　　PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建递归互斥锁（嵌套锁，可以一个锁套一个锁）

　　　　PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建检错互斥锁（如果同一个线程请求同一个锁，则报错。）

成功返回0 ，失败返回 -1

互斥锁上锁、解锁、判断有锁

       #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);

参数同上

返回值同上

还用刚刚的例子，使用互斥锁打印sum的值

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

//声明一个互斥锁 
pthread_mutex_t lock;

void a(void *arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
　　//在使用之前上锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    if(*sum > 0)
    {
        printf("a --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
    }
　　//解锁
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_exit(NULL);
}

void b(void * arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    pthread_mutex_lock(&lock);
    if(*sum > 0)
    {
        printf("b --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
    }
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_exit(NULL);
}

void c(void * arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    pthread_mutex_lock(&lock);
    if(*sum > 0)
    {
        printf("c --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
    }
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sum = 10;
    pthread_t id1,id2,id3;
　　//创建一个互斥锁
    if (pthread_mutex_init(&lock, NULL) != 0)
    {
        perror("lock init failed");
        exit(-1);
    }

    while(sum > 0)
    {
        pthread_create(&id1,NULL,(void *)a,&sum);
        pthread_create(&id2,NULL,(void *)b,&sum);
        pthread_create(&id3,NULL,(void *)c,&sum);
    }

    pthread_join(id1,NULL);
    pthread_join(id2,NULL);
    pthread_join(id3,NULL);
　　//进程即将结束，销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&lock);

    exit(0);
}

这样就可以顺利打印出来正确的数值了

使用互斥锁时要注意，避免在使用锁的过程中导致线程退出，那么就永远锁上了，别的线程无法获得已经死掉的线程的资源。

死锁

现在有2个线程，线程1和线程2，也有两把锁，锁A和锁B

如果进入到一个状态：在使用锁A的线程1在等待锁B，使用锁B的线程2在等待锁A，那么这两个线程都无法进行下去，就进入了一个死锁的状态。

产生死锁的必要条件：

1、互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
2、请求和保持条件：当进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3、不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4、环路等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程--资源的环形链。

预防死锁：
1、设计获得锁的顺序

2、超时放弃

除了互斥锁之外，还可以用信号量来进行同步操作

在进程学习中就提到过信号量的知识这里我们再复习一下

信号量的原理就相当于一个计数器，先设定好一个最大的访问量。每当有人来访问，那么计数器-1.

当信号量为0的时候，不允许其他线程来访问了，所以只能进入阻塞状态等待资源的释放。

如果前面使用的人释放了这个资源，那么信号量+1，在排队的线程就可以获得使用的权限了。

上面讲的获取和释放资源的过程，就是P操作和V操作。

基本函数有下：

       #include <semaphore.h>

       int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);//创建信号量 赋初值

       int sem_wait(sem_t *sem);//阻塞申请信号量，申请成功信号量-1(P操作)

       int sem_trywait(sem_t *sem);//非阻塞申请信号量，无论成功与否该函数会立即返回

       int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);//计时申请信号量，会阻塞

       int sem_post(sem_t *sem);//发送信号量(信号量+1)(V操作)
        
       int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);//获取信号量的值

       int sem_destroy(sem_t *sem);//销毁信号量(不能再有线程申请信号量时销毁)

sem　　　　　　信号量指针

pshared　　　　0

value　　　　　信号量初始值

abs_timeout　　唤醒的绝对时间

　　　　　　　　struct timespec{

　　　　　　　　time_t　　tv_sec; 　　//秒

　　　　　　　　long　　tv_nsec;　　//纳秒

　　　　　　　　}

sval　　　　　　储存信号量的值的地址

还是刚才的例子，我们用信号量操作一遍。。。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>


//声明一个信号量
sem_t sem;

void firstPthread(void *arg)
{
    sem_wait(&sem);//阻塞等待信号量 请求成功后，信号量值-1 .等同于上锁
    int *sum = (int *)arg;
    if(*sum > 0)
    {
        printf("firstPthread : %d
", sum[0]);
        sum[0]--;
    }
    sem_post(&sem);//释放，信号量+1，等同于解锁
    pthread_exit(NULL);

}

void secondPthread(void *arg)
{
    sem_wait(&sem);
    int *sum = (int *)arg;
    if(*sum > 0)
    {
        printf("secondPthread : %d
", sum[0]);
        sum[0]--;
    }
    sem_post(&sem);
    pthread_exit(NULL);
}

void thridPthread(void *arg)
{
    sem_wait(&sem);
    int *sum = (int *)arg;
    if(*sum > 0)
    {
        printf("thridPthread : %d
", sum[0]);
        sum[0]--;
    }
    sem_post(&sem);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sum = 10;
    int ret = 0;

    pthread_t id1,id2,id3;

　　//初始化(二值)信号量
    ret = sem_init(&sem,0,1);
    if(ret != 0)
    {
        perror("sem_init");
    }

    while(sum > 0)
    {
        pthread_create(&id1,NULL,(void *)firstPthread,&sum);
        pthread_create(&id2,NULL,(void *)secondPthread,&sum);
        pthread_create(&id3,NULL,(void *)thridPthread,&sum);
    }

    pthread_join(id1,NULL);
    pthread_join(id2,NULL);
    pthread_join(id3,NULL);
　　//销毁信号量
    sem_destroy(&sem);

    return 0;
}

运行结果：

刚才的例子中我们只有一个资源sum = 10，当他减少到0的时候，子线程全部结束，进程结束。

那么如果我现在想让他在sum == 0 的时候再次续命，此时重新赋值让sum = 10；

那么该如何操作呢？

这个时候就用到了条件变量

使用起来也和前面的同步差不多，创建、销毁、等待、通知。

 常用函数如下：

//动态创建条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);


//注销条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); 


//无条件等待，条件不满足时调用等待函数来等待条件满足，传参分别为条件变量和互斥锁
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex); 


//计时等待
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);


//广播条件变量成立信号，激活等待中的所有线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); 


//发送单个条件变量成立信号，激活等待状态的一个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); 

cond　　条件变量的指针

attr　　   创建条件变量的属性，NULL默认值

mutex　　互斥锁指针

abstime　　唤醒的绝对时间 （timespec结构体在上文有表述）

成功返回 0  失败返回 非0 

还是前面的例子，我们用条件变量让sum == 10 的时候触发

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

//互斥锁
pthread_mutex_t lock;
//条件变量
pthread_cond_t cond;

void a(void *arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    //上锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    if(*sum > 0)
    {
        printf("a --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
        //解锁
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    else
    {
        //先解锁
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        //发送通知
        pthread_cond_signal(&cond);
        printf("send cond signal a
");
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void b(void * arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    pthread_mutex_lock(&lock);
    if(*sum > 0)
    {
        printf("b --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    else
    {
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        pthread_cond_signal(&cond);
        printf("send cond signal b
");
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void c(void * arg)
{
    int * sum = (int * )arg;
    pthread_mutex_lock(&lock);
    if(*sum > 0)
    {
        printf("c --> %d
", sum[0]);
        sum[0] --;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    else
    {
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        pthread_cond_signal(&cond);
        printf("send cond signal c
");
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

//等待条件线程
//作用即为等待接收sign
void waitPthread(void *arg)
{
    //操作资源前要上锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    int * sum = (int *)arg;
    if(sum[0] > 0)
    {
        //在满足条件的情况下进入等待(挂起)状态
        pthread_cond_wait(&cond,&lock);
    }
    sum[0] = 10;
    //操作结束要解锁
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sum = 10;
    pthread_t id1,id2,id3,id4;

    //初始化互斥锁
    if (pthread_mutex_init(&lock, NULL) != 0)
    {
        perror("lock init failed");
        exit(-1);
    }

    //初始化条件变量
    if (pthread_cond_init(&cond, NULL) != 0)
    {
        perror("cond init failed");
        exit(-1);
    }

    //创建等待线程
    pthread_create(&id4,NULL,(void *)waitPthread,&sum);

    while(sum > 0)
    {
        pthread_create(&id1,NULL,(void *)a,&sum);
        pthread_create(&id2,NULL,(void *)b,&sum);
        pthread_create(&id3,NULL,(void *)c,&sum);
    }

    pthread_join(id1,NULL);
    pthread_join(id2,NULL);
    pthread_join(id3,NULL);
    pthread_join(id4,NULL);
    //销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    //销毁条件变量
    pthread_cond_destroy(&cond);

    exit(0);
}

运行结果如下：

我们画图来解释一下这个过程：

一步步分解一下他的运行状态：

1、执行主线程，包括初始化函数

2、执行等待线程，此时满足条件，所以进入等待状态。

3、执行abc子线程，当sum>0时打印输出

4、当sum<0 时，(图例中)由a线程发出了一个通知，唤醒了等待线程

5、等待线程启动，将sum重置为10，同时结束了自己年轻的生命

6、abc子线程继续打印输出

7、sum又一次 小于0，此时abc子线程都发出了通知，但是等待线程已死。。。

8、回收子线程，销毁通信资源。进程结束。