系统程序员成长计划并发(一)(下)

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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。