C语言基础-线程

线程概念

进程：

• 进程有独立的地址空间
• Linux为每个进程创建task_structt
• 每个进程都参与内核调度，互不影响

线程：

• 进程在切换时系统开销大
• 很多操作系统引入轻量级进程LWP
• 同一进程中的线程共享相同地址空间
• linux不区分进程、线程

线程资源

• 共享资源
  • 可执行的命令
  • 静态数据
  • 进程中打开的文件描述符
  • 当前工作目录
  • 用户ID
  • 用户组ID
• 私有资源
  • 线程ID（TID）
  • PC（程序计数器）和相关寄存器
  • 堆栈
  • 错误号（errno）
  • 优先级
  • 执行状态和属性

使用线程的好处

• 大大提高了任务切换的效率
• 避免了额外的TLB&cache的刷新

Linux线程库-pthread

如果进程结束，进程下的所有线程都会被结束

线程的创建-pthread_create

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread,const pthread_attr_t *attr,void *(routine)(void *),void *arg);

// 成功返回0
// 失败返回错误码
// tread线程对象
// attr 线程属性，NULL代表默认属性
// *(routine)(void *) routine线程执行的函数
// arg传递给现场执行函数的参数

线程的回收-pthread_join

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread,void **retval);

// 成功返回0
// 失败时返回错误码
// thread 要回收的线程对象
// *retval 接受线程thread的返回值
// 调用线程阻塞知道thread的返回值

线程的结束-pthread_exit

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

// 结束当前线程 或指定到函数的return结束
// retval可被其他线程通过pthread_join获取
// retval不能是局部变量否则会出错
// 线程私有资源被释放

Demo：

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

char message[32] = "hello World";

void *thread_func(void *arg) {
    sleep(1);
    strcpy(message, "thread hello");
    // 线程退出
    // pthread_exit("thread over");
    return "thread over"; // 与上方pthread_exit效果相同
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t a_thread;
    void *result;
    // 创建线程
    if (pthread_create(&a_thread, NULL, thread_func, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
    }
    // 线程回收
    pthread_join(a_thread, &result);
    printf("result:%s
", result); // result接受线程的返回值
    // 查看线程是否继承了进程的资源
    printf("message:%s
", message);
    return 0;
}

// Ps:编译一定要链接 否则会报错
// $gcc -o test test.c -l pthread

 

线程间通讯

优点：线程间通讯很容易（通过全局变量交换数据）

缺点：多个线程 访问共享数据时需要同步或互斥机制

同步机制

同步（synchronization）指的是多个任务按照约定的先后次序相互配合完成一件事

由信号量来决定线程是继续运行还是阻塞等待

 

信号量

• 信号量代表某一类资源，其值表示系统中该资源的数量
• 信号量是一个受保护的变量，只能通过三种操作来访问
  • 初始化
  • P操作（申请资源）
  • V操作（释放资源）

信号量P/V操作

• P（S）含义如下

if (信号量的值大于0){申请资源的任务继续运行;信号量的值减一;}
else{申请资源的任务阻塞;}

• V（S）含义如下

if(有任务在等待资源){唤醒等待任务，让其继续运行}

Posix信号量

• 无名信号量（基于内存的信号量）
• 有名信号量（既可以用线程，也可以用于进程）

信号量的初始化-sem_init

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int val);

// 信号量被创建后必须初始化
// 成功时返回0
// 失败返回EOF

// sem 指向要初始化的信号量对象
// pshared 信号量的使用范围 0代表线程间 1代表进程间
// val信号量的初值,0代表没有资源,大于0代表有资源

P/V操作

#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem); // P操作
int sem_post(sem_t *sem); // V操作

// 成功时返回0
// 失败时返回EOF
// sem执行要操作的信号量对象

Demo1：两个线程同步读写缓冲区（生产者、消费者问题）

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <zconf.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>

// 全局buf
char buf[32];
sem_t ser;
sem_t sew;

void *function(void *args) {
    while (1) {
        // 执行p操作
        sem_wait(&ser);
        printf("you enter %d charachtes
", strlen(buf));
        sem_post(&sew);
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t a_thread;
    // 先初始化信号量 写和读
    if (sem_init(&ser, 0, 0) < 0) {
        perror("sem_init");
        return 0;
    }
    // 这里初始化为1
    if (sem_init(&sew, 0, 1) < 0) {
        perror("sem_init");
        return 0;
    }
    // 再创建线程
    if (pthread_create(&a_thread, NULL, function, NULL) != 0) {
        printf("no create");
        return 0;
    }
    printf("input quit to exit:
");
    do {
        // 每次往缓冲区写完一次操作后都将执行一次post v操作操作
        sem_wait(&sew);
        fgets(buf, 32, stdin);
        sem_post(&ser);

    } while (strncmp(buf, "quit", 4) != 0);
    {
        // 如果输入不是quit则继续循环
        return 0;
    }
}

互斥机制

临界资源

• 一次只允许一个任务（进程、现场）访问的共享资源

临界区

• 访问临界的代码

互斥机制

• mutex互斥锁
• 任务访问临界资源前申请锁，访问完后释放锁

初始化锁-pthread_mutex_init

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);

// 成功时返回0
// 失败时返回错误码
// mutex 指向要初始化的互斥锁对象
// attr互斥锁属性,NULL表示缺省属性

申请锁-pthread_mutex_lock

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex);

// 成功时返回0
// 失败时返回错误码
// 如果无法获得锁，任务阻塞
// mutex 指向要初始化的互斥锁对象

释放锁-pthread_mutex_unlock

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

// 成功时返回0
// 失败时返回错误码
// 执行完临界区要即使释放
// mutex指向要初始化的互斥锁对象

Demo:

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <zconf.h>

unsigned int value1, value2;
pthread_mutex_t lock;
int number = 0;

void *function() {

    pthread_mutex_lock(&lock);
    puts("子线程进入");
    value1 = number++;
    value2 = ++number;
    sleep(1);
    puts("子线程截止");
    printf("value1: %d value2:%d
", value1, value2);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return 0;
}


int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t a_thread;

    // 初始化锁
    if (pthread_mutex_init(&lock, NULL) != 0) {
        perror("pthread_mutex_init");
        return 0;
    }
    // 创建线程
    if (pthread_create(&a_thread, NULL, function, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 0;
    }
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    puts("主进程进入");
    value1 = number++;
    value2 = ++number;
    sleep(1);
    puts("主进程截止");
    printf("value1: %d value2:%d
", value1, value2);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    sleep(3);
}