Linux操作系统软件编程——多线程

什么是线程

线程的定义

是轻量级的进程，可以实现多任务的并发。

线程是操作系统任务调度的最小单位，一个进程至少有一个线程

线程的创建

由某个进程创建，且进程创建线程时，会为其分配独立的栈区空间（默认8M）。线程和所在的进程，以及进程中的其他线程，共用进程的堆区、文本区、数据区

kernel：内核空间
stack：从高地址向低地址增长的栈区，属于线程独享，存放局部变量、函数的返回地址、函数的参数
heap：从低地址向高地址增长的堆区，用户自行管理的空间，使用时需要手动申请及释放
map：内存映射区，存放动态共享库、文件映射、匿名映射
bss：未初始化及初始化为0的全局及静态变量
data：初始化为非0的全局及静态变量
code：只读代码段，存放可执行的二进制程序

线程的调度

宏观并行，微观串行

进程和线程的区别

线程相关编程

线程的创建：pthread_create()；pthread_self()：获取当前线程的ID号

线程的调度：由操作系统调度

线程的凋亡：

1，线程退出：在线程任务函数中使用return结束线程或者调用pthread_exit()结束线程

2，线程回收：pthread_join(tid,NULL)

pthread_create()

功能：创建一个新的线程

参数：

thread：保存线程ID的变量地址

attr：线程属性的对象地址，如果是NULL则按照默认属性创建

void *(*start_routine)(void *)：函数指针，指向线程启动后要执行的任务

指针名称：start_routine

指向的对象：函数void *()(void *)

即仅传函数名，如果在函数名后加括号并传参，则实际上传入的是该函数的返回值，并非该函数

arg：为线程任务函数传递的参数，如果不传参则传NULL

如果要传入多个参数，可以将多个参数组合到一起为一个结构体，然后传入结构体地址

返回值：成功则为0，失败则为!0

需要注意的是，在使用这个函数时，需要在创建或者编译时加上后缀，如图所示

当进程中创建了线程，不要直接退出进程（线程之后就接return），在return之前设立一个死循环或者sleep，否则可能线程还未执行，进程就优先结束，连带着线程也结束

下面的两种情形值得说明一下

对于第一个参数，它需要的是一个存放ID的变量，即将该函数创建的线程的ID号存到变量中，通过传入这个变量的地址来确定存到哪个变量中，它并不是把这个变量的地址赋到一个指针中，所以第二种情况是错误的，因为此时的thread属于野指针，会把ID号赋给这个指针，程序出现段错误

对于部分其他函数，也会出现这种情况。

pthread_exit()

功能：退出一个线程任务

参数：向回收的线程传递的参数的地址，如果不传递参数则为NULL

pthread_exit(NULL)等价于return NULL

pthread_join()

功能：阻塞等待回收线程资源空间

参数：要回收的线程ID；用来保存线程退出时传递的参数（与上一个函数搭配），NULL表示不接收传递的参数

返回值：成功为0，失败为-1

线程属性

1，分离属性：不需要被其他线程回收的线程，将来会被操作系统回收

2，非分离属性：可以被其他线程回收或者结束的线程，默认属性为非分离属性

线程回收策略

1，分离属性的线程：不需要回收（没有空闲的线程可以帮忙回收）

2，调用pthread_join阻塞回收

int pthread_detach(pthread_t thread)

功能：将线程设置成分离属性的线程

线程间通信

临界资源：多个线程可以同时访问的资源，例如全局变量，共享内存区域

然而，在多个线程在访问临界资源时，会存在资源竞争问题，如下

如果按照代码正常思路，最后输出应该是200000，但是最后却输出199997，这是由于对于全局变量n，其中一个线程调用并进行操作，还未将结果重新赋予时，另一个线程也进行了调用，导致两个线程赋予了同一个值。

事实上，数字越大越容易出现这种情况，但是并不代表每次运行都会出现这种情况，所以为了完全避免这种资源竞争问题，需要用到互斥机制

互斥机制——锁

互斥机制：多个线程访问临界资源时，具有排他性访问的机制，即一次只允许一个线程对该临界资源进行访问

实现互斥机制的步骤

1，创建互斥锁：pthread_mutex_t

2，初始化互斥锁：pthread_mutex_init

3，锁上：int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)

4，解锁：int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

5，销毁锁：int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)

pthread_mutex_init

功能：初始化互斥锁

参数：锁住对象的地址；锁的属性，如果是NULL则为默认属性

返回值：成功则为0，失败则为-1

所以上述的例子可改为

死锁

指的是在多线程环境中，每个执行流（线程）都有未释放的资源，且互相请求对方未释放资源，从而导致陷入永久等待状态的情况。锁包括互斥锁、信号量、自旋锁、读写锁等等

现象：

1）没有释放锁

2）重复加锁

3）多线程多锁，抢占锁资源不当

例：线程A获得了1锁，B获得了2锁，同时线程A向获得2锁，B想获得1锁

产生死锁的必要条件

1，互斥条件 ：一个资源只能被一个进程使用（一个执行流获取锁后，其他执行流不能再获取该锁）

2，请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放（执行流本身使用者一把锁并不释放，还请求别的锁）

3，不剥夺条件：进程已获得的资源，再未使用完之前，不能强行剥夺（A执行流拿着锁，其他执行流不能释放）

4，循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系（多个执行流拿着对方想要的锁，并且各执行流需要获取对方已持有的锁才能继续执行

四个必要条件都达成时候一定是死锁，有一种条件未达成时就构不成死锁

死锁的预防

1，锁一定要成对出现，即有pthread_lock就一定要有pthread_unlock

2，使线程的加锁顺序一致

3，破坏环路等条件。使用非阻塞锁，一旦线程发现请求的锁被使用，就去释放自己拥有的锁，例如pthread_mutex_trylock()，int sem_trywait(sem_t *sem)

线程间的同步机制——信号量

让多个线程再执行某个任务时，具有先后顺序地执行，而多线程、多进程本质是异步执行

线程间的同步通过信号量实现，步骤如下

1）定义信号量对象：sem_t sem

2）初始化信号量：sem_init()

3）PV操作：申请信号量（P），释放信号量（V）：sem_wait()，sem_post()

4）销毁信号量：int sem_destroy(sem_t *sem)

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)

功能：对信号量进行初始化

参数：

sem：要初始化的信号量对象地址

pshared：0为线程间共享，非0为进程间共享

value：信号量初始值，如果是0则不执行，1则执行

返回值：成功为0，失败为-1

int sem_wait(sem_t *sem)

功能：申请信号量

int sem_post(sem_t *sem)

功能：释放信号量

左侧为加了信号量的代码，右侧为未加信号量的代码

代码的公共区域

未加信号量的代码是异步的，没有先后输出顺序

加了信号量的代码是同步的，即有输出的先后顺序

值得注意的是，一定要先初始化再执行PV操作。为保证线程执行的顺序，PV操作时，P的是该线程的信号量并减一，V的是下一个该执行的线程的信号量并加一

在进行P操作时，会进行阻塞，即如果该信号量为0，则会等待信号量变为1再执行

一般来说，pthread_join会放在sem_destroy之前，来确保所有线程结束，不会再有线程对信号量进行操作，然后再进行信号量的销毁