Linux多線程編程（一）_Linux

一、什麼是線程？

      線程是進程的一個實體，是CPU調度和指派的基本單位，它是比進程更小的能獨立啟動並執行基本單位。線程自己基本上不擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源(如程式計數器，一組寄存器和棧)，但是它可與同屬一個進程的其他的線程共用進程所擁有的全部資源。

二、什麼時候使用多線程？     當多個任務可以並存執行時，可以為每個任務啟動一個線程。
三、線程的建立     使用pthread_create函數。    

#include<pthread.h>int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新建立的線程ID  __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//線程屬性  void *(*__start_routine) (void *),//新建立的線程從start_routine開始執行  void *__restrict __arg)//執行函數的參數

傳回值：成功-0，失敗-返回錯誤編號，可以用strerror(errno)函數得到錯誤資訊
四、線程的終止   三種方式線程從執行函數返回，傳回值是線程的退出碼線程被同一進程的其他線程取消調用pthread_exit()函數退出。這裡不是調用exit，因為線程調用exit函數，會導致線程所在的進程退出。

一個小例子：

啟動兩個線程，一個線程對全域變數num執行加1操作，執行五百次，一個線程對全域變數執行減1操作，同樣執行五百次。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#include <string.h>int num=0;void *add(void *arg) {//線程執行函數，執行500次加法  int i = 0,tmp;  for (; i <500; i++)  {    tmp=num+1;    num=tmp;    printf("add+1,result is:%d\n",num);  }  return ((void *)0);}void *sub(void *arg)//線程執行函數，執行500次減法{  int i=0,tmp;  for(;i<500;i++)  {    tmp=num-1;    num=tmp;    printf("sub-1,result is:%d\n",num);  }  return ((void *)0);}int main(int argc, char** argv) {    pthread_t tid1,tid2;  int err;  void *tret;  err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//建立線程  if(err!=0)  {    printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));    exit(-1);  }  err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);  if(err!=0)  {    printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));     exit(-1);  }  err=pthread_join(tid1,&tret);//阻塞等待線程id為tid1的線程，直到該線程退出  if(err!=0)  {    printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));    exit(-1);  }  printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);  err=pthread_join(tid2,&tret);  if(err!=0)  {    printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));    exit(-1);  }  printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);  return 0;}

使用g++編譯該檔案（g++ main.cpp -o main)。此時會報錯undefined reference to `pthread_create'。

報這個錯誤的原因是：pthread庫不是linux預設的庫，所以在編譯時間候需要指明libpthread.a庫。

解決方案：在編譯時間，加上-lpthread參數。

執行結果：

乍一看，結果是對的，加500次，減500次，最後結果為0。但是仔細看所有的輸出，你會發現有異樣的東西。

    導致這個不和諧出現的原因是，兩個線程可以對同一變數進行修改。假如線程1執行tmp=50+1後，被系統中斷，此時線程2對num=50執行了減一操作，當線程1恢複，在執行num=tmp=51。而正確結果應為50。所以當多個線程對共用地區進行修改時，應該採用同步的方式。

五、線程同步線程同步的三種方式：

1、互斥量   互斥量用pthread_mutex_t資料類型來表示。   

兩種方式初始化，第一種：賦值為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；第二種，當互斥量為動態分配是，使用pthread_mutex_init函數進行初始化，使用pthread_mutex_destroy函數銷毀。  

#include<pthread.h>int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,    __const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);

傳回值：成功-0，失敗-錯誤編號 加解鎖加鎖調用pthread_mutex_lock,解鎖調用pthread_mutex_unlock。

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

使用互斥量修改上一個程式（修改部分用紅色標出）：

pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *add(void *arg) {  int i = 0,tmp;  for (; i <500; i++)  {    pthread_mutex_lock(&mylock);    tmp=num+1;    num=tmp;    printf("+1,result is:%d\n",num);    pthread_mutex_unlock(&mylock);  }  return ((void *)0);}void *sub(void *arg){  int i=0,tmp;  for(;i<500;i++)  {    pthread_mutex_lock(&mylock);    tmp=num-1;    num=tmp;    printf("-1,result is:%d\n",num);    pthread_mutex_unlock(&mylock);  }  return ((void *)0);}

2、讀寫鎖   允許多個線程同時讀，只能有一個線程同時寫。適用於讀的次數遠大於寫的情況。  讀寫鎖初始化：  

#include<pthread.h>int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,__const pthread_rwlockattr_t *__restrict__attr);int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);

傳回值：成功--0，失敗-錯誤編號
 加鎖，這裡分為讀加鎖和寫加鎖。
讀加鎖：  

int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

寫加鎖： 

int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

解鎖用同一個函數：

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

3、條件變數條件變數用pthread_cond_t資料類型表示。條件變數本身由互斥量保護，所以在改變條件狀態前必須鎖住互斥量。
條件變數初始化：
第一種，賦值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER；第二種，使用pthread_cond_init函數

int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,   __const pthread_condattr_t *__restrict   __cond_attr);int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);

條件等待
使用pthread_cond_wait等待條件為真。

 pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,   pthread_mutex_t *__restrict __mutex)

這裡需要注意的是，調用pthread_cond_wait傳遞的互斥量鎖定，pthread_cond_wait將調用線程放入等待條件的線程列表，然後釋放互斥量，在pthread_cond_wait返回時，再次鎖定互斥量。
喚醒線程
pthread_cond_signal喚醒等待該條件的某個線程，pthread_cond_broadcast喚醒等待該條件的所有線程。

int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)

來一個例子，主線程啟動4個線程，每個線程有一個參數i（i=產生順序），無論線程的啟動順序如何，執行順序只能為，線程0、線程1、線程2、線程3。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#define DEBUG 1int num=0;pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;void * thread_func(void *arg){  int i=(int)arg;   int ret;  sleep(5-i);//線程睡眠,然最先產生的線程，最後蘇醒  pthread_mutex_lock(&mylock);//調用pthread_cond_wait前，必須獲得互斥鎖  while(i!=num)  {#ifdef DEBUG    printf("thread %d waiting\n",i);#endif    ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//該函數把線程放入等待條件的線程列表，然後對互斥鎖進行解鎖，這兩部都是原子操作。並且在pthread_cond_wait返回時，互斥量再次鎖住。    if(ret==0)    {#ifdef DEBUG      printf("thread %d wait success\n",i);#endif    }else    {#ifdef DEBUG      printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));#endif    }  }  printf("thread %d is running \n",i);  num++;  pthread_mutex_unlock(&mylock);//解鎖  pthread_cond_broadcast(&qready);//喚醒等待該條件的所有線程  return (void *)0;}int main(int argc, char** argv) {    int i=0,err;  pthread_t tid[4];  void *tret;  for(;i<4;i++)  {    err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);    if(err!=0)    {      printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));      exit(-1);    }  }  for (i = 0; i < 4; i++)  {    err = pthread_join(tid[i], &tret);    if (err != 0)    {      printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));      exit(-1);    }  }  return 0;}

在非DEBUG模式，執行結果如圖所示：
在DEBUG模式，執行結果如圖所示:

在DEBUG模式可以看出，線程3先被喚醒，然後執行pthread_cond_wait（輸出thread 3 waiting)，此時在pthread_cond_wait中先解鎖互斥量，然後進入等待狀態。這是thread 2加鎖互斥量成功，進入pthread_cond_wait(輸出thread 2 waiting） ,同樣解鎖互斥量，然後進入等待狀態。直到線程0，全域變數與線程參數i一致，滿足條件，不進入條件等待，輸出thread 0 is running。全域變數num執行加1操作，解鎖互斥量，然後喚醒所有等待該條件的線程。thread 3 被喚醒，輸出thread 3 wait success。但是不滿足條件，再次執行pthread_cond_wait。如此執行下去，滿足條件的線程執行，不滿足條件的線程等待。