线程初体验

2023-05-16

线程的概念：线程是一个进程地址空间的一个控制流程，是调度的基本单位，由于同一进程的多个线程共享同一地址空间,因此Text Segment、Data Segment都是共享的,如果定义一个函数,在各线程中都可以调用,如果定义一个全局变量,在各线程中都可以访问到。
各个线程共享的进程资源：

文件描述符表
每种信号的处理方式
当前的工作目录
用户id和组id
各个线程各自拥有的资源：
线程id
上下文（各种寄存器的值，程序计数器，和栈指针）
栈空间
errno变量
信号屏蔽字
调度优先级
了解了线程的基本概念我们一起来看看程序中如何使用线程。

创建线程

线程创建函数

pthread_t *thread：输出型参数是新创建线程的线程id；
const pthread_attr_t *attr：线程的属性，目前我们只需要了线程创建的基本知识，属性方面不做深入的了解，所以这个参数可以设置为NULL，表示线程取缺省值。
void (*start_routine)(void ):函数指针指向一个参数为void*返回值为void*的函数。当调用pthread_create（）创建新线程后当前线程从pthread_create（）返回继续往下执行，而新线程执行的代码由函数指针start_routine决定start_routine函数接受一个参数是由pthread_create（）通过参数arg传递的，这个参数的类型是void *按什么类型解释由用户自己决定。返回值也是同样，这个函数返回了这个新线程也就结束了。
void *arg：start_routine函数的参数。】

线程等待

父进程通过wait（）函数得到子进程的退出状态，回收子进程的资源，那么如何获得线程的退出状态呢？接下来我们就来了解一下pthread_join（）函数
线程等待函数

thread：线程id，由pthread_create()函数的第一个参数获得，新线程创建成功后线程id被存放到thread所指向的内存单元中，一个进程的pid类型是pid_t在整个系统中是唯一的，调用getpid（）可以获得进程的pid，一个线程的id类型是pthread_t,只在当前进程中是唯一的，在不同的系统中实现方式不同，可以是整型的，也可以是结构体，不能直接当成一个整数来打印，可以通过pthread_self（）来获得当前线程的id。
retval:通过这个参数获得新线程的返回值。

线程终止

如果需要终止某个线程而不是终止整个进程有以下三种方法，我们来使用这三种方法来终止线程并且了解一下pthread_join（）函数的使用。

从线程函数中返回，此方法不适用main函数，congmain函数中返回相当于调用exit（），终止整个进程。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void *Fun()
{
printf("i am new thread pid: %d,tid :%lu\n", getpid(),pthread_self());
char *str = "yingying";
return ((void *)str); 
}
int main()
{
int id;
pthread_create(&id,NULL,Fun,NULL);
if(ret != 0)
{
char * str = strerror(ret);
printf("%s\n",str);
}
printf("i am root thread pid: %d,tid :%lu\n", getpid(),pthread_self());
void *val = NULL;
ret  = pthread_join(id,&val);
printf("The new thread has quited!\n val is %s\n",val);
sleep(1);
return 0;
}

这里写图片描述
由结果可见return终止了线程，pthread_join函数获得了Fun函数的返回值yingying。

线程通过pthread_exit（）终止自己

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void *Fun()
{
printf("i am new thread pid: %d,tid :%lu\n", getpid(),pthread_self());
pthread_exit((void*)223);
}
int main()
{
int id;
pthread_create(&id,NULL,Fun,NULL);
if(ret != 0)
{
char * str = strerror(ret);
printf("%s\n",str);
}
printf("i am root thread pid: %d,tid :%lu\n", getpid(),pthread_self());
void * val = NULL;
ret = pthread_join(id,&val);
printf("The new thread has quited!\n val is %d\n",(int)val);
sleep(1);
return 0;
}

这里写图片描述
由结果可见pthread_exit（）终止了线程，val所指向的单元里存放着传递给pthread_exit（）的参数

一个线程调用pthread_cancel（）函数来终止同一个进程中的另一个线程。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void *Fun()
{
while(1)
{
printf("i am new thread pid: %d,tid :%lu\n", getpid(),pthread_self());
sleep(1);
}
return NULL;
}
int main()
{
printf("i am root thread pid: %d,tid :%lu\n", getpid(),pthread_self());
int id;
int ret = pthread_create(&id,NULL,Fun,NULL);
if(ret != 0)
{
char * str = strerror(ret);
printf("%s\n",str);
}
void * val = NULL;
sleep(1);
pthread_cancel(id);
ret = pthread_join(id,&val);
printf("The new thread has quit!\n val is %d\n",(int)val);
return 0;
}

这里写图片描述
由结果可见pthread_cancel（）终止了线程，val所指向的单元里存放着是常数PTHREAD_CANCELED。在Linux的pthread库中常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。

分离线程

默认的情况下线程是可结合的，为了避免存储泄露每个线程应该被显式的回收，即调用pthread_join（），或者调用pthread_detach（）被分离，如果一个线程结束之后没有被join就类似于进程状态的僵死状态，即还有一部分资源未被回收。
如果调用了pthread_join（），但是线程没有运行结束，那么调用者就会进入阻塞状态，我们有时候并不希望如此；例如：web服务器中主线程为新的请求创建新线程后并不希望调用pthread_join（）而阻塞，因为主线程还要处理其他的请求，此时可以在新线程的代码中加入：pthread_detach（pthread_self（）），或者在主线程中加入pthread_detach（thread_id），
使线程被分离从而在运行结束时会自动释放其资源。
注意：不能对一个处于detach状态的线程调用pthread_join（）；对于一个尚未detach的线程调用pthread_join,pthread_detach,都可以使线程变为detach状态，我们不能对一个线程调用2次pthread_join（），所以一个线程调用了pthread_detach,就不能调用pthread_join（）。

线程的同步与互斥

mutex:互斥量
多个线程访问共享数据时可能会发生冲突，例如多个线程对全局变量进行加1，这个操作在一些平台需要三步操作：
从内存中取变量到寄存器
寄存器的值加1
将寄存器里的值放回内存
一个线程在执行以上任意一步时都有可能发生线程切换，导致加1操作未完成，由于当执行流由内核态切换到用户态时最容易触发进程切换，所以我们在两步之间加上一个printf语句，她会执行write系统调用进入内核，为线程切换提供了一个很好的机会，我们在一个循环中反复执行该操作，来看看结果是什么样的。

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int gCount = 0;
void * Runfun(void *arg)
{
    int i = 0;
    int val;
    while(i < 5000)
    {
        val = gCount;
        printf("thread:%lu,%d\n",pthread_self(),gCount);
        gCount = val + 1;
        i++;
    }
    return NULL;
}
int main()
{
    pthread_t id1;
    pthread_t id2;
    pthread_create(&id1,NULL,Runfun,NULL);
    pthread_create(&id2,NULL,Runfun,NULL);
    pthread_join(id1,NULL);
    pthread_join(id2,NULL);
    printf("%d\n",gCount);
    return 0;
}

这里写图片描述

由以上结果可以看出两个线程并没有将gCoubt加到10000，并且每次结果都不一样。
对于多线程访问冲突的情况我们引入了互斥锁，获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作然后释放锁给其他线程，没有获得锁的线程只能等待，不能访问共享资源。这样的话“读-修改-写”的操作就是一个原子操作，要么做要么不做，不会被打断，也不会在其他处理器上并行操作。
这里写图片描述
函数的返回值同样是成功返回0失败返回错误号。我们可以用int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);来创建锁采用pthread_mutex_init（）函数来初始化，也可以采用是静态分配的mutex（全局变量或者static）,并采用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);函数是用来释放锁。

下面我们来对代码进行修改

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//创建锁并初始化
int gCount = 0;
void * Runfun(void *arg)
{
    pthread_mutex_lock(&lock);//对加1操作加锁
    int i = 0;
    int val;
    while(i < 5000)
    {
        val = gCount;
        printf("thread:%lu,%d\n",pthread_self(),gCount);
        gCount = val + 1;
        i++;
    }
    pthread_mutex_unlock(&lock);//释放锁
    return NULL;
}
int main()
{
    pthread_t id1;
    pthread_t id2;
    pthread_create(&id1,NULL,Runfun,NULL);
    pthread_create(&id2,NULL,Runfun,NULL);
    pthread_join(id1,NULL);
    pthread_join(id2,NULL);
    printf("%d\n",gCount);
    return 0;
}

下面让我们来看看你结果
这里写图片描述
由结果可以看出最终的结果是10000。

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