什么是多線程編程？Linux下的多線程編程

什么是多線程編程？

1、線程和進(jìn)程的區(qū)別

進(jìn)程是指正在運(yùn)行的程序，它擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源，不同進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)不共享。

線程是進(jìn)程內(nèi)的執(zhí)行單元，它與同一進(jìn)程內(nèi)的其他線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。

2、多線程的優(yōu)勢和應(yīng)用場景

多線程是一種并發(fā)編程方式，它的優(yōu)勢包括：

提高程序的響應(yīng)速度和運(yùn)行效率（多核CPU下的多線程）

充分利用CPU資源，提高系統(tǒng)的利用率

支持多個任務(wù)并行執(zhí)行，提高程序的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性

Linux下的多線程編程

Linux下C語言多線程編程依賴于pthread多線程庫。pthread庫是Linux的多線程庫，是POSIX標(biāo)準(zhǔn)線程API的實(shí)現(xiàn)，它提供了一種創(chuàng)建和操縱線程的方法，以及一些同步機(jī)制，如互斥鎖、條件變量等。

頭文件：

#include

編譯鏈接需要鏈接鏈接庫 pthread。

一、線程的基本操作

1、pthread_create

/**
*@brief創(chuàng)建一個線程
*
*Detailedfunctiondescription
*
*@param[in] thread:一個指向線程標(biāo)識符的指針，線程調(diào)用后，該值被設(shè)置為線程ID；pthread_t為unsigned long int
*@param[in]attr:用來設(shè)置線程屬性
*@param[in]start_routine:線程函數(shù)體，線程創(chuàng)建成功后，thread指向的內(nèi)存單元從該地址開始運(yùn)行
*@param[in]arg:傳遞給線程函數(shù)體的參數(shù)
*
*@return線程創(chuàng)建成功，則返回0，失敗則返回錯誤碼，并且thread內(nèi)容是未定義的
*/
intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);

例子test.c：創(chuàng)建一個線程，每1s打印一次。

#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;

void*thread_fun(void*arg)
{
s_thread_running=1;
while(s_thread_running)
{
printf("threadrun...
");
sleep(1);
}

pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("thread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

ret=pthread_join(s_thread_id,NULL);///

	

	編譯、運(yùn)行：

	
gcctest.c-otest-lpthread


	

	2、pthread_join

	
/**
*@brief等待某個線程結(jié)束
*
*Detailedfunctiondescription:這是一個線程阻塞函數(shù)，調(diào)用該函數(shù)則等到線程結(jié)束才繼續(xù)運(yùn)行
*
*@param[in]thread:某個線程的ID
*@param[in]retval:用于獲取線程start_routine的返回值
*
*@return線程創(chuàng)建成功，則返回0，失敗則返回錯誤碼，并且thread內(nèi)容是未定義的
*/
intpthread_join(pthread_tthread,void**retval);


	

	例子test.c：創(chuàng)建一個線程，進(jìn)行一次加法運(yùn)算就返回。

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;

void*thread_fun(void*arg)
{
staticintres=0;
inta=1,b=2;

res=a+b;
sleep(1);
printf("threadrun,a+b=%d,addr=%p
",res,&res);

pthread_exit(&res);
}

intmain(void)
{
intret=0;
int*retval=NULL;

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("pthread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

ret=pthread_join(s_thread_id,(void**)&retval);///

	

	編譯、運(yùn)行：

	

	3、pthread_exit

	
/**
*@brief退出線程
*
*Detailedfunctiondescription
*
*@param[in]retval:它指向的數(shù)據(jù)將作為線程退出時的返回值
*
*@returnvoid
*/
voidpthread_exit(void*retval);


	

	線程將指定函數(shù)體中的代碼執(zhí)行完后自行結(jié)束；

	線程執(zhí)行過程中，被同一進(jìn)程中的其它線程（包括主線程）強(qiáng)制終止；

	線程執(zhí)行過程中，遇到 pthread_exit() 函數(shù)結(jié)束執(zhí)行。

	例子test.c：創(chuàng)建一個線程，每個1s打印一次，打印超過5次時調(diào)用pthread_exit退出。

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;
conststaticchar*thread_exit_str="thread_exitok!";

void*thread_fun(void*arg)
{
staticintcnt=0;

s_thread_running=1;
while(s_thread_running)
{
cnt++;
if(cnt>5)
{
pthread_exit((void*)thread_exit_str);
}
printf("threadrun...
");
sleep(1);
}

pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;
void*thread_res=NULL;

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("thread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

ret=pthread_join(s_thread_id,(void**)&thread_res);
if(ret!=0)
{
printf("thread_joinerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("AfterThread,thread_res=%s
",(char*)thread_res);
exit(EXIT_SUCCESS);
}


	

	編譯、運(yùn)行：

	

	使用return退出線程與使用pthread_exit退出線程的區(qū)別？

	return為通用的函數(shù)退出操作，pthread_exit專用與線程，既然pthread庫有提供專門的函數(shù)，自然用pthread_exit會好些，雖然使用return也可以。

	看看return退出線程與使用pthread_exit退出線程的具體區(qū)別：退出主線程。使用pthread_exit退出主線程只會終止當(dāng)前線程，不會影響進(jìn)程中其它線程的執(zhí)行；使用return退出主線程，主線程退出執(zhí)行很快，所有線程都會退出。

	例子：使用pthread_exit退出主線程

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;
conststaticchar*thread_exit_str="thread_exitok!";

void*thread_fun(void*arg)
{
sleep(1);
printf("thread_funrun...
");
pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;
void*thread_res=NULL;

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("thread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

printf("mainthreadexit
");
pthread_exit(NULL);
}


	

	編譯、運(yùn)行：

	

	例子：使用return退出主線程

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;
conststaticchar*thread_exit_str="thread_exitok!";

void*thread_fun(void*arg)
{
sleep(1);
printf("thread_funrun...
");
pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;
void*thread_res=NULL;

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("thread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

printf("mainthreadexit
");

return0;
}


	

	編譯、運(yùn)行：

	

	4、pthread_self

	
/**
*@brief用來獲取當(dāng)前線程ID
*
*Detailedfunctiondescription
*
*@param[in]void
*
*@return返回線程id
*/
pthread_tpthread_self(void);


	

	例子：

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;
conststaticchar*thread_exit_str="thread_exitok!";

void*thread_fun(void*arg)
{
staticintcnt=0;

s_thread_running=1;
while(s_thread_running)
{
cnt++;
if(cnt>5)
{
pthread_exit((void*)thread_exit_str);
}
printf("threadrun(tid=%ld)...
",pthread_self());
sleep(1);
}

pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;
void*thread_res=NULL;

pid_tpid=getpid();
printf("pid=%d
",pid);

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("thread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

ret=pthread_join(s_thread_id,(void**)&thread_res);
if(ret!=0)
{
printf("thread_joinerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("AfterThread,thread_res=%s
",(char*)thread_res);
exit(EXIT_SUCCESS);
}


	

	編譯、運(yùn)行：

	

	5、pthraad_detach

	
/**
*@brief分離線程
*
*Detailedfunctiondescription:分離線程，線程結(jié)束是系統(tǒng)自動回收線程的資源
*
*@param[in]thread:某個線程的ID
*
*@return成功時返回0，失敗返回其他值
*/
intpthread_detach(pthread_tthread);


	

	pthread_create創(chuàng)建的線程有兩種狀態(tài)：joinable（可結(jié)合的）和unjoinable（不可結(jié)合的/分離的）。默認(rèn)是joinable 狀態(tài)。

	一個可結(jié)合的線程能夠被其他線程收回其資源和殺死；在被其他線程回收之前，它的存儲器資源（如棧）是不釋放的，所以以默認(rèn)的屬性創(chuàng)建線程時，創(chuàng)建的線程時可結(jié)合的，我們需要對線程退出時調(diào)用pthread_join對線程資源進(jìn)行回收。只有當(dāng)pthread_join函數(shù)返回時，創(chuàng)建的線程才算終止，才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源。

	一個不可結(jié)合的線程，線程結(jié)束后會自動釋放占用資源。

	因?yàn)閜thread_join是一個阻塞的操作，而大多數(shù)時候主線程并不希望因?yàn)檎{(diào)用pthread_join而阻塞，并且大多數(shù)情況下不會使用線程函數(shù)體的返回值，所以這時候可以把線程創(chuàng)建為不可結(jié)合的/分離的。

	把線程創(chuàng)建為不可結(jié)合的/分離的有兩種方式：

	在創(chuàng)建線程之后，使用pthraad_detach分離線程。

	在創(chuàng)建線程之前，使用pthread_attr_setdetachstate設(shè)置線程以不可結(jié)合的/分離的狀態(tài)創(chuàng)建。

	例子：在創(chuàng)建線程之后，使用pthraad_detach分離線程。

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;

void*thread_fun(void*arg)
{
s_thread_running=1;
while(s_thread_running)
{
printf("childthreadrun...
");
sleep(1);
}

pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;

printf("BeforeThread
");
ret=pthread_create(&s_thread_id,NULL,thread_fun,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("thread_createerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}

ret=pthread_detach(s_thread_id);
if(ret!=0)
{
printf("pthread_detacherror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("AfterThread
");

while(1)
{
printf("mainthreadrun...
");
sleep(1);
}

exit(EXIT_SUCCESS);
}


	

	編譯、運(yùn)行：

	

	pthread_join與pthraad_detach的區(qū)別：

	pthread_detach()即主線程與子線程分離，兩者相互不干涉，子線程結(jié)束同時子線程的資源自動回收。

	pthread_join()即是子線程合入主線程，主線程會一直阻塞，直到子線程執(zhí)行結(jié)束，然后回收子線程資源，并繼續(xù)執(zhí)行。

	6、pthread_attr_init

	
/**
*@brief初始化一個線程對象的屬性
*
*Detailedfunctiondescription
*
*@param[in]attr:指向一個線程屬性的指針
*
*@return成功時返回0，失敗返回其他值
*/
intpthread_attr_init(pthread_attr_t*attr);


	

	如果不設(shè)置線程屬性，線程則以默認(rèn)屬性進(jìn)行創(chuàng)建，默認(rèn)的屬性值如：

	

	例子：在創(chuàng)建線程之前，使用pthread_attr_setdetachstate設(shè)置線程以不可結(jié)合的/分離的狀態(tài)創(chuàng)建。

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread_id;
staticunsignedchars_thread_running=0;

void*thread_fun(void*arg)
{
s_thread_running=1;
while(s_thread_running)
{
printf("threadrun...
");
sleep(1);
}

pthread_exit(NULL);
}

intmain(void)
{
intret=0;

printf("BeforeThread
");
pthread_attr_tattr;
ret=pthread_attr_init(&attr);
if(ret!=0)
{
printf("pthread_attr_initerror!
");
exit(EXIT_FAILURE);
}
pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);///

	

	二、互斥鎖（mutex）的使用

	互斥鎖用于保護(hù)一些公共資源。一些公共資源有可能會被多個線程共同使用，如果不做資源保護(hù)，可能會產(chǎn)生意想不到的bug。

	一個線程，如果需要訪問公共資源，需要獲得互斥鎖并對其加鎖，資源在在鎖定過程中，如果其它線程對其進(jìn)行訪問，也需要獲得互斥鎖，如果獲取不到，線程只能進(jìn)行阻塞，直到獲得該鎖的線程解鎖。

	互斥鎖API：

	
#include
///

	

	互斥鎖有兩種創(chuàng)建方式：

	靜態(tài)創(chuàng)建：

	
pthread_mutex_tmutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


	

	動態(tài)創(chuàng)建：

	
pthread_mutex_tmutex;
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);


	

	pthread互斥鎖屬性包括：

	PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP：這是缺省值，也就是普通鎖。當(dāng)一個線程加鎖以后，其余請求鎖的線程將會形成一個等待隊(duì)列，并在解鎖后按優(yōu)先級獲得鎖。這種策略可以確保資源分配的公平性。

	PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP：嵌套鎖。允許同一個線程對同一個鎖成功獲得多次，并通過unlock解鎖。如果是不同線程請求，則在加鎖線程解鎖時重新競爭。

	PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP：檢錯鎖。如果同一個線程請求同一個鎖，則返回EDEADLK，否則與PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP類型動作相同，這樣就保證了當(dāng)不允許多次加鎖時不會出現(xiàn)最簡單情況下的死鎖。

	PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP：適應(yīng)鎖，動作最簡單的鎖類型，僅等待一小段時間，如果不能獲得鎖就放棄等待

	互斥鎖使用形式：

	
pthread_mutex_tmutex;
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);///

	

	例子：

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread1_id;
staticpthread_ts_thread2_id;
staticunsignedchars_thread1_running=0;
staticunsignedchars_thread2_running=0;

staticpthread_mutex_ts_mutex;
staticints_cnt=0;

void*thread1_fun(void*arg)
{
printf("[%s]pthread_mutex_lock------s_cnt=%d
",__FUNCTION__,s_cnt);
pthread_mutex_lock(&s_mutex);///

	

	編譯、運(yùn)行：

	

	三、條件變量的使用

	條件變量是在線程中以睡眠的方式等待某一條件的發(fā)生，是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制。

	條件變量是線程可用的一種同步機(jī)制，條件變量給多個線程提供了一個會合的場所，條件變量與互斥量一起使用時，允許線程以無競爭的方式等待特定的條件發(fā)生。

	條件變量API：

	
#include
///

	

	假如有兩個線程，線程1依賴于某個變量才能執(zhí)行相應(yīng)的操作，而這個變量正好是由線程2來改變的。這種情況下有兩種方案編寫程序：

	方案一：線程1輪詢的方式檢測這個變量是否變化，變化則執(zhí)行相應(yīng)的操作。

	方案二：使用條件變量的方式。線程1等待線程2滿足條件時進(jìn)行喚醒。

	其中，方案一比較浪費(fèi)CPU資源。

	條件變量的例子：創(chuàng)建兩個線程，線程1對全局計(jì)數(shù)變量cnt從0開始進(jìn)行自增操作。線程2打印5的倍數(shù)，線程1打印其它數(shù)。

	
#include
#include
#include
#include

staticpthread_ts_thread1_id;
staticpthread_ts_thread2_id;
staticunsignedchars_thread1_running=0;
staticunsignedchars_thread2_running=0;

staticpthread_mutex_ts_mutex;
staticpthread_cond_ts_cond;
staticints_cnt=0;

void*thread1_fun(void*arg)
{
s_thread1_running=1;
while(s_thread1_running)
{
pthread_mutex_lock(&s_mutex);///

	

	編譯、運(yùn)行：

	

	





	審核編輯：劉清