• 系统程序员成长计划并发(一)(下)


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    作者联系方式:李先静 <xianjimli at hotmail dot com>

    Linux下的多线程编程使用pthread(POSIX Thread)函数库,使用时包含头文件pthread.h,链接共享库libpthread.so。这里顺便说一下gcc链接共享库的方式:-L用来指 定共享库所在目录,系统库目录不用指定。-l用来指定要链接的共享库,只需要指定库的名字就行了,如:-lpthread,而不是 -llibpthread.so。看起来有点怪,这样做的原因是共享库通常带有版本号,指定全文件名就意味着你要绑定到特定版本的共享库上,只指定名字则 在可以运行时通过环境变量来选择要使用的共享库,这样能够给软件升级带来的方便。

    pthread函数库的使用相对比较简单,读者可以在终端下运行man pthread_create阅读相关函数的手册,也可以到网上找些例子参考。具体使用方法我们就不讲了,这里介绍一下初学者常犯的错误:

    o 用临时变量作为线程参数的问题。

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <assert.h>
    
    void* start_routine(void* param)
    {
        char* str = (char*)param;
    
        printf("%s:%s/n", __func__, str);
    
        return NULL;
    }
    
    pthread_t create_test_thread()
    {
        pthread_t id = 0;
        char str[] = "it is ok!";
    
        pthread_create(&id, NULL, start_routine, str);
    
        return id;
    }
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        void* ret = NULL;
    
        pthread_t id = create_test_thread();
    
        pthread_join(id, &ret);
    
        return 0;
    }
    

    分析:由于新线程和当前线程是并发的,谁先谁后是无法预测的。可能create_test_thread 已经执行完了,str已经被释放了,新线程才拿到这参数,此时它的内容已经无法确定了,打印出的字符串自然是随机的。

    o 线程参数共享的问题。

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <assert.h> 
    
    void* start_routine(void* param)
    {
        int index = *(int*)param;
    
        printf("%s:%d/n", __func__, index);
    
        return NULL;
    }
    
    #define THREADS_NR 10
    
    void create_test_threads()
    {
        int i = 0;
    
        void* ret = NULL;
    
        pthread_t ids[THREADS_NR] = {0};
    
        for(i = 0; i < THREADS_NR; i++)
        {
            pthread_create(ids + i, NULL, start_routine, &i);
        }
    
        for(i = 0; i < THREADS_NR; i++)
        {
    
            pthread_join(ids[i], &ret);
        }
    
        return ;
    }
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        create_test_threads();
    
        return 0;
    }
    

    分析:由于新线程和当前线程是并发的,谁先谁后是无法预测的。i在不断变化,所以新线程拿到的参数值是无法预知的,打印出的字符串自然也是随机的。

    o 虚假并发。

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <assert.h>
    
    void* start_routine(void* param)
    {
    
        int index = *(int*)param;
    
        printf("%s:%d/n", __func__, index);
    
        return NULL;
    }
    
    #define THREADS_NR 10
    
    void create_test_threads()
    {
        int i = 0;
        void* ret = NULL;
    
        pthread_t ids[THREADS_NR] = {0};
    
        for(i = 0; i < THREADS_NR; i++)
        {
            pthread_create(ids + i, NULL, start_routine, &i);
            pthread_join(ids[i], &ret);
        }
    
        return ;
    }
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        create_test_threads();
    
        return 0;
    }
    

    分析:因为pthread_join会阻塞直到线程退出,所以这些线程实际上是串行执行的,一个退出了,才创建下一个。当年一个同事写了一个多线程的测试程序,就是这样写的,结果没有测试出一个潜伏的问题,直到产品运行时,这个问题才暴露出来。

    访问线程共享的数据时要加锁,让访问串行化,否则就会出问题。比如,可能你正在访问的双向链表的某个结点时,它已经被另外一个线程删掉了。加锁的方 式有很多种,像互斥锁(mutex= mutual exclusive lock),信号量(semaphore)和自旋锁(spin lock)等都是常用的,它们的使用同样很简单,我们就不多说了。

    在加锁/解锁时,初学者常犯两个错误:

    o 存在遗漏解锁的路径。初学者常见的做法就是,进入某个临界函数时加锁,在函数结尾的地方解锁,我甚至见过这种写法:

    {
    /*这里加锁*/
    …
        return …;
    /*这里解锁*/
    }
    

    如果你也犯了这种错误,应该好好反思一下。有时候,return的地方太多,在某一处忘记解锁是可能的,就像内存泄露一样,只是忘记解锁的后果更严重。像下面这个例子:

    Ret dlist_insert(DList* thiz, size_t index, void* data)
    {
        DListNode* node = NULL;
        DListNode* cursor = NULL;
    
        return_val_if_fail(thiz != NULL, RET_INVALID_PARAMS);
    
        dlist_lock(thiz);
    
        if((node = dlist_create_node(thiz, data)) == NULL)
        {
            dlist_unlock(thiz);
            return RET_OOM;
        }
    
        if(thiz->first == NULL)
        {
            thiz->first = node;
    
            dlist_unlock(thiz);
            return RET_OK;
        }
        ...
    
        dlist_unlock(thiz);
    
        return RET_OK;
    }
    

    如果一个函数有五六个甚至更多的地方返回,遗忘一两个地方是很常见的,即使没有忘记,每个返回的地方都要去解锁和释放相关资源也是很麻烦的。在这种情况下,我们最好是实现单入口单出的函数,常见的做法有两种:

    一种是使用goto语句(在linux内核里大量使用)。示例如下:

    Ret dlist_insert(DList* thiz, size_t index, void* data)
    {
        Ret ret = RET_OK;
        DListNode* node = NULL;
        DListNode* cursor = NULL;
    
        return_val_if_fail(thiz != NULL, RET_INVALID_PARAMS);
    
        dlist_lock(thiz);
    
        if((node = dlist_create_node(thiz, data)) == NULL)
        {
            ret = RET_OOM;
            goto done;
        }
    
        if(thiz->first == NULL)
        {
            thiz->first = node;
    
            goto done;
        }
        ...
    done:
        dlist_unlock(thiz);
    
        return ret;
    }
    

    另外一种是使用do{}while(0);语句,出于受教科书的影响(不要用goto语句),我习惯了这种做法。示例如下:

    Ret dlist_insert(DList* thiz, size_t index, void* data)
    {
        Ret ret = RET_OK;
        DListNode* node = NULL;
        DListNode* cursor = NULL;
    
        return_val_if_fail(thiz != NULL, RET_INVALID_PARAMS);
    
        dlist_lock(thiz);
    
        do
        {
            if((node = dlist_create_node(thiz, data)) == NULL)
            {
                ret = RET_OOM;
                break;
            }
    
            if(thiz->first == NULL)
            {
                thiz->first = node;
                break;
            }
    	...
        }while(0);
    
        dlist_unlock(thiz);
    
        return ret;
    }
    

    o 加锁顺序的问题。有时候为了提高效率,常常降低加锁的粒度,访问时不是用一个锁锁住整个数据结构,而是用多个锁来控制数据结构各个部分。这样一个线程访问 数据结构的这部分时,另外一个线程还可以访问数据结构的其它部分。但是在有的情况下,你需要同时锁几个锁,这时就要注意了:所有线程一定要按相同的顺序加 锁,相反的顺序解锁。否则就可能出现死锁,两个线程都拿到对方需要的锁,结果出现互相等待的情况。

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