多线程编程（Linux C）

多线程编程可以说每个程序员的基本功，同时也是开发中的难点之一，本文以Linux C为例，讲述了线程的创建及常用的几种线程同步的方式，最后对多线程编程进行了总结与思考并给出代码示例。

一、创建线程

多线程编程的第一步，创建线程。创建线程其实是增加了一个控制流程，使得同一进程中存在多个控制流程并发或者并行执行。

线程创建函数，其他函数这里不再列出，可以参考pthread.h。

#include<pthread.h>

int pthread_create(
    pthread_t *restrict thread,  /*线程id*/
	const pthread_attr_t *restrict attr,    /*线程属性，默认可置为NULL，表示线程属性取缺省值*/
	void *(*start_routine)(void*),  /*线程入口函数*/ 
	void *restrict arg  /*线程入口函数的参数*/
	);

代码示例：

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

char* thread_func1(void* arg) {
    pid_t pid = getpid();
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)
", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);

    char* msg = "thread_func1";
    return msg;
}

void* thread_func2(void* arg) {
    pid_t pid = getpid();
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)
", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
    char* msg = "thread_func2 ";
    while(1) {
        printf("%s running
", msg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    if (pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func1, "new thread:") != 0) {
        printf("pthread_create error.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func2, "new thread:") != 0) {
        printf("pthread_create error.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    pthread_detach(tid2);

    char* rev = NULL;
    pthread_join(tid1, (void *)&rev);
    printf("%s return.
", rev);
    pthread_cancel(tid2);

    printf("main thread end.
");
    return 0;
}

二、线程同步

有时候我们需要多个线程相互协作来执行，这时需要线程间同步。线程间同步的常用方法有：

• 互斥
• 信号量
• 条件变量

我们先看一个未进行线程同步的示例：

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

#define LEN 100000
int num = 0;

void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i< LEN; ++i) {
        num += 1;
    }
    
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, NULL);

    char* rev = NULL;
    pthread_join(tid1, (void *)&rev);
    pthread_join(tid2, (void *)&rev);

    printf("correct result=%d, wrong result=%d.
", 2*LEN, num);
    return 0;
}

运行结果：correct result=200000, wrong result=106860.。

【1】互斥

这个是最容易理解的，在访问临界资源时，通过互斥，限制同一时刻最多只能有一个线程可以获取临界资源。

其实互斥的逻辑就是：如果访问临街资源发现没有其他线程上锁，就上锁，获取临界资源，期间如果其他线程执行到互斥锁发现已锁住，则线程挂起等待解锁，当前线程访问完临界资源后，解锁并唤醒其他被该互斥锁挂起的线程，等待再次被调度执行。

“挂起等待”和“唤醒等待线程”的操作如何实现？每个Mutex有一个等待队列，一个线程要在Mutex上挂起等待，首先在把自己加入等待队列中，然后置线程状态为睡眠，然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程，只需从等待队列中取出一项，把它的状态从睡眠改为就绪，加入就绪队列，那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。

主要函数如下：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,     
       const pthread_mutexattr_t *restrict attr);       /*初始化互斥量*/
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);      /*销毁互斥量*/
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

用互斥解决上面计算结果错误的问题，示例如下：

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

#define LEN 100000
int num = 0;

void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_t* p_mutex = (pthread_mutex_t*)arg;
    for (int i = 0; i< LEN; ++i) {
        pthread_mutex_lock(p_mutex);
        num += 1;
        pthread_mutex_unlock(p_mutex);
    }
    
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_mutex_t m_mutex;
    pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL);

    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&m_mutex);

    printf("correct result=%d, result=%d.
", 2*LEN, num);
    return 0;
}

运行结果：correct result=200000, result=200000.

如果在互斥中还嵌套有其他互斥代码，需要注意死锁问题。

产生死锁的两种情况：

• 一种情况是：如果同一个线程先后两次调用lock，在第二次调用时，由于锁已经被占用，该线程会挂起等待别的线程释放锁，然而锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起而没有机会释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了，产生死锁。
• 另一种典型的死锁情形是：线程A获得了锁1，线程B获得了锁2，这时线程A调用lock试图获得锁2，结果是需要挂起等待线程B释放锁2，而这时线程B也调用lock试图获得锁1，结果是需要挂起等待线程A释放锁1，于是线程A和B都永远处于挂起状态了。

如何避免死锁：

1. 不用互斥锁（这个很多时候很难办到）
2. 写程序时应该尽量避免同时获得多个锁。
3. 如果一定有必要这么做，则有一个原则：如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序（常见的是按Mutex变量的地址顺序）获得锁，则不会出现死锁。 （比如一个程序中用到锁1、锁2、锁3，它们所对应的Mutex变量的地址是锁1<锁2<锁3，那么所有线程在需要同时获得2个或3个锁时都应该按锁1、锁2、锁3的顺序获得。如果要为所有的锁确定一个先后顺序比较困难，则应该尽量使用pthread_mutex_trylock调用代替pthread_mutex_lock调用，以避免死锁。）

【2】条件变量

条件变量概括起来就是：一个线程需要等某个条件成立（而这个条件是由其他线程决定的）才能继续往下执行，现在这个条件不成立，线程就阻塞等待，等到其他线程在执行过程中使这个条件成立了，就唤醒线程继续执行。

相关函数如下：

#include <pthread.h>

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
       const pthread_condattr_t *restrict attr);
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);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

举个最容易理解条件变量的例子，“生产者-消费者”模式中，生产者线程向队列中发送数据，消费者线程从队列中取数据，当消费者线程的处理速度大于生产者线程时，会产生队列中没有数据了，一种处理办法是等待一段时间再次“轮询”，但这种处理方式不太好，你不知道应该等多久，这时候条件变量可以很好的解决这个问题。下面是代码：

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>

#define LIMIT 1000

struct data {
    int n;
    struct data* next;
};

pthread_cond_t condv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
struct data* phead = NULL;

void producer(void* arg) {
    printf("producer thread running.
");
    int count = 0;
    for (;;) {
        int n = rand() % 100;
        struct data* nd = (struct data*)malloc(sizeof(struct data));
        nd->n = n;

        pthread_mutex_lock(&mlock);
        struct data* tmp = phead;
        phead = nd;
        nd->next = tmp;
        pthread_mutex_unlock(&mlock);
        pthread_cond_signal(&condv);

        count += n;

        if(count > LIMIT) {
            break;
        }
        sleep(rand()%5);
    }
    printf("producer count=%d
", count);
}

void consumer(void* arg) {
    printf("consumer thread running.
");
    int count = 0;
    for(;;) {
        pthread_mutex_lock(&mlock);
        if (NULL == phead) {
            pthread_cond_wait(&condv, &mlock);
        } else {
            while(phead != NULL) {
                count += phead->n;
                struct data* tmp = phead;
                phead = phead->next;
                free(tmp);
            }
        }
        pthread_mutex_unlock(&mlock);
        if (count > LIMIT)
            break;
    }
    printf("consumer count=%d
", count);
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL);
    
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    return 0;
}

条件变量中的执行逻辑：

关键是理解执行到int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex)
这里时发生了什么，其他的都比较容易理解。执行这条函数前需要先获取互斥锁，判断条件是否满足，如果满足执行条件，则继续向下执行后释放锁；如果判断不满足执行条件，则释放锁，线程阻塞在这里，一直等到其他线程通知执行条件满足，唤醒线程，再次加锁，向下执行后释放锁。（简而言之就是：释放锁-->阻塞等待-->唤醒后加锁返回）

实现细节可看源码pthread_cond_wait.c和pthread_cond_signal.c

上面的例子可能有些繁琐，下面的这个代码示例则更为简洁：

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>

#define NUM 3
pthread_cond_t condv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 

void producer(void* arg) {
    int n = NUM;
    while(n--) {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&condv);
        printf("producer thread send notify signal. %d	", NUM-n);
    }
}

void consumer(void* arg) {
    int n = 0;
    while (1) {
        pthread_cond_wait(&condv, &mlock);
        printf("recv producer thread notify signal. %d
", ++n);
        if (NUM == n) {
            break;
        }
    }
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL);
    
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    return 0;
}

运行结果：

producer thread send notify signal. 1   recv producer thread notify signal. 1
producer thread send notify signal. 2   recv producer thread notify signal. 2
producer thread send notify signal. 3   recv producer thread notify signal. 3

---

【3】信号量

信号量适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源。用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待时，该计数值减一；当线程完成一次对semaphore对象的释放时，计数值加一。当计数值为0时，线程挂起等待，直到计数值超过0.

主要函数如下：

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t * sem);
int sem_destroy(sem_t * sem);

代码示例如下：

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<semaphore.h>

#define NUM 5

int queue[NUM];
sem_t psem, csem; 

void producer(void* arg) {
    int pos = 0;
    int num, count = 0;
    for (int i=0; i<12; ++i) {
        num = rand() % 100;
        count += num;
        sem_wait(&psem);
        queue[pos] = num;
        sem_post(&csem);
        printf("producer: %d
", num); 
        pos = (pos+1) % NUM;
        sleep(rand()%2);
    }
    printf("producer count=%d
", count);
}

void consumer(void* arg){
    int pos = 0;
    int num, count = 0;
    for (int i=0; i<12; ++i) {
        sem_wait(&csem);
        num = queue[pos];
        sem_post(&psem);
        printf("consumer: %d
", num);
        count += num;
        pos = (pos+1) % NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
    printf("consumer count=%d
", count);    
} 

int main() {
    sem_init(&psem, 0, NUM);
    sem_init(&csem, 0, 0);

    pthread_t tid[2];
    pthread_create(&tid[0], NULL, (void*)producer, NULL);
    pthread_create(&tid[1], NULL, (void*)consumer, NULL);
    pthread_join(tid[0], NULL);
    pthread_join(tid[1], NULL);
    sem_destroy(&psem);
    sem_destroy(&csem);

    return 0;
}

信号量的执行逻辑：

当需要获取共享资源时，先检查信号量，如果值大于0，则值减1，访问共享资源，访问结束后，值加1，如果发现有被该信号量挂起的线程，则唤醒其中一个线程；如果检查到信号量为0，则挂起等待。

可参考源码sem_post.c

三、多线程编程总结与思考

最后，我们对多线程编程进行总结与思考。

• 第一点就是在进行多线程编程时一定注意考虑同步的问题，因为多数情况下我们创建多线程的目的是让他们协同工作，如果不进行同步，可能会出现问题。
• 第二点，死锁的问题。在多个线程访问多个临界资源时，处理不当会发生死锁。如果遇到编译通过，运行时卡住了，有可能是发生死锁了，可以先思考一下是那些线程会访问多个临界资源，这样查找问题会快一些。
• 第三点，临界资源的处理，多线程出现问题，很大原因是多个线程访问临界资源时的问题，一种处理方式是将对临界资源的访问与处理全部放到一个线程中，用这个线程服务其他线程的请求，这样只有一个线程访问临界资源就会解决很多问题。
• 第四点，线程池，在处理大量短任务时，我们可以先创建好一个线程池，线程池中的线程不断从任务队列中取任务执行，这样就不用大量创建线程与销毁线程，这里不再细述。

参考文档：pthread.h - threads