Linux系统编程——多线程编程

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了Linux系统编程——多线程编程，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含9661字，纯文字阅读大概需要14分钟。

内容图文

目录：

• • 1.引入：
  • 2.概要：
  • 3.线程：
  • 4.互斥锁：
  • 5.条件变量：

1.引入：

• 典型的UNIX/Linux进程可以看成只有一个控制线程：一个进程在同一时刻只做一件事情。有了多个控制线程后，在程序设计时可以把进程设计成在同一时刻做不止一件事，每个线程各自处理独立的任务。

• 进程是程序执行时的一个实例，是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的基本单位。在面向线程设计的系统中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。程序本身只是指令、数据及其组织形式的描述，进程才是程序（那些指令和数据）的真正运行实例。

• 线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。线程包含了表示进程内执行环境必须的信息，其中包括进程中表示线程的线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno常量以及线程私有数据。进程的所有信息对该进程的所有线程都是共享的，包括可执行的程序文本、程序的全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。在Unix和类Unix操作系统中线程也被称为轻量级进程（lightweight processes），但轻量级进程更多指的是内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

• 进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

使用线程的理由：

• 从上面我们知道了进程与线程的区别，其实这些区别也就是我们使用线程的理由。总的来说就是：进程有独立的地址空间，线程没有单独的地址空间（同一进程内的线程共享进程的地址空间）。

• 我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。

• 使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。

除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：

• 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。
• 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。
• 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。

本文部分摘自（Linux多线程编程初探）。

2.概要：

多线程开发在 Linux 平台上已经有成熟的 pthread 库支持。其涉及的多线程开发的最基本概念主要包含三点：线程，互斥锁，条件。其中，线程操作又分线程的创建，退出，等待 3 种。互斥锁则包括 4 种操作，分别是创建，销毁，加锁和解锁。条件操作有 5 种操作：创建，销毁，触发，广播和等待。其他的一些线程扩展概念，如信号灯等，都可以通过上面的三个基本元素的基本操作封装出来。

3.线程：

#include <pthread.h>

线程创建：
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void*), void *restrict arg);
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号
// tidp 参数：当 pthread_create 成功返回时，由 tidp 指向的内存单元被设置为新创建线程的线程 ID
// attr 参数：attr 参数用于定制各种不同的线程属性，暂可以把它设置为 NULL，以创建默认属性的线程
/* 新创建的线程从 start_rtn 函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数 arg 。如果需要向 start_rtn 函数传递的参数不止一
个，那么需要把这些参数放到一个结构体中，然后把这个结构体的地址作为 arg 参数传入 */



线程退出：
/*单个线程可以通过以下三种方式退出，在不终止整个进程的情况下停止它的控制流：1、线程只是从启动例程中返回，返回值是线程的退出码
																	 2、线程可以被同一进程中的其他线程取消
																	 3、线程调用 pthread_exit					 */
int pthread_exit(void *rval_ptr);
/* rval_ptr 参数：退出时，把 static 定义的数据或全局变量放入 rval_ptr，作为线程退出的返回值，进程中的其他线程可以通过调用 pthread_join 函
数访问到这个数据 */



线程等待：
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
// join 可以回收 exit 的返回状态
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号
// thread 参数：等待的线程的 ID
//调用这个函数的线程将一直阻塞，直到指定的线程调用 pthread_exit 、从启动例程中返回或者被取消

/* 如果例程只是从它的启动例程返回，rval_ptr 将包含返回码。如果线程被取消，由 rval_ptr 指定的内存单元就置为 PTHREAD_CANCELED 可以通过调用
pthread_join 自动把线程置于分离状态，这样资源就可以恢复。如果线程已经处于分离状态，pthread_join 调用就会失败
，返回 EINVAL 如果对线程的返回值不感兴趣，可以把 rval_ptr 置为 NULL			*/



线程脱离：
int pthread_detach(pthread_t thread);
//把指定的线程转变为脱离状态，某个线程被 join 后，调用 detach 可脱离 join
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号
// thread 参数：调用线程的 ID
//本函数通常由想让自己脱离的线程使用：pthread_detach(pthread_self());



线程自身 ID 获取：
pthread_t pthread_self(void);
//获取线程自身的线程 ID
//返回值：调用该函数的线程的 ID



线程 ID 比较：
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);
//比较是否属于同一线程
//返回值：若相等则返回非 0 值，否则返回 0
/*对于线程 ID 比较，为了可移植操作，我们不能简单地把线程 ID 当作整数来处理，因为不同系统对线程 ID 的定义可能不一样，所以我们
用到该函数 */

4.互斥锁：

• 互斥量（mutex）从本质上来说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量上的锁。对互斥量进行加锁后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程将会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥锁时有多个线程阻塞，所有在该互斥锁上的阻塞线程都会变成可运行状态，第一个变为可运行状态的线程可以对互斥量加锁，其他线程将会看到互斥锁依然被锁住，只能回去等待它重新变为可用。在这种方式下，每次只有一个线程可以向前运行。

• 在设计时需要规定所有的线程必须遵守相同的数据访问规则。只有这样，互斥机制才能正常工作。操作系统并不会做数据访问的串行化。如果允许其中的某个线程在没有得到锁的情况下也可以访问共享资源，那么即使其它的线程在使用共享资源前都获取了锁，也还是会出现数据不一致的问题。

• 互斥变量用pthread_mutex_t数据类型表示。在使用互斥变量前必须对它进行初始化，可以把它置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只对静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_mutex_init函数进行初始化。如果动态地分配互斥量（例如通过调用malloc函数），那么在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。

#include <pthread.h>

创建互斥锁：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);		//动态初始化
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号
//参数 restrict mutex：互斥量，定义 pthread_mutex_t 型全局变量
//参数 restrict attr：要用默认的属性初始化互斥量，则把 attr 设置为 NULL
pthread_mutex_t mutex/*互斥量名*/= PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;					//静态初始化



销毁互斥锁：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号
//参数 restrict mutex：需要销毁的互斥量，定义的 pthread_mutex_t 型全局变量



添加互斥锁：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号



解除互斥锁：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//返回值：若成功返回 0，否则返回错误编号



尝试互斥锁：
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t mutex);
//如果线程不希望被阻塞，它可以使用 pthread_mutex_trylock 尝试对互斥量进行加锁
/*如果调用 pthread_mutex_trylock 时互斥量处于未锁住状态，那么 pthread_mutex_trylock 将锁住互斥量，不会出现阻塞并返回 0，否
则 pthread_mutex_trylock就会失败，不能锁住互斥量，而返回 EBUSY		*/

5.条件变量：

• 条件变量是线程另一可用的同步机制。条件变量给多个线程提供了一个会合的场所。条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

• 条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为必须锁定互斥量以后才能计算条件。

• 条件变量使用之前必须首先初始化，pthread_cond_t数据类型代表的条件变量可以用两种方式进行初始化，可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量，但是如果条件变量是动态分配的，可以使用pthread_cond_destroy函数对条件变量进行去除初始化（deinitialize）。

#include <pthread.h>

创建条件变量：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);			//动态初始化
//返回值：若成功返回0，否则返回错误编号
// restrict cond 参数：条件变量，定义一个 pthread_cond_t 型全局变量
// attr 参数：除非需要创建一个非默认属性的条件变量，否则可以设置为NULL
pthread_cond_t cond/*条件变量名*/= PTHREAD_COND_INITIALIZER;				//静态初始化



销毁条件变量：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
//返回值：若成功返回0，否则返回错误编号
// restrict cond 参数：需要销毁的条件变量，定义的 pthread_cond_t 型全局变量



等待条件变量：
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
//返回值：若成功返回0，否则返回错误编号
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, cond struct timespec *restrict timeout);
/* pthread_cond_timedwait 函数的工作方式与 pthread_cond_wait 数类似，只是多了一个 timeout。timeout 指定了等待的时间，它是
通过 timespec 结构指定 */



触发条件变量：
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// pthread_cond_signal 函数将唤醒等待该条件的某个线程
//返回值：若成功返回0，否则返回错误编号



广播条件变量：
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
// pthread_cond_broadcast 函数将唤醒等待该条件的所有进程
//返回值：若成功返回0，否则返回错误编号

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的Linux系统编程——多线程编程全部内容，希望文章能够帮你解决Linux系统编程——多线程编程所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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