【C编程基础】多线程编程
基础知识
1.基本概念
（1）线程，即轻量级进程（LWP:LightWeight Process），是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。
（2）线程同步，就是协同步调，按预定的先后次序进行运行。如：你说完，我再说。这里的同步千万不要理解成那个同时进行，应是指协同、协助、互相配合。
（3）线程互斥，是指对于共享的进程系统资源，在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。
2.三种基本状态
就绪状态，指线程具备运行的所有条件，逻辑上可以运行，在等待处理机；
运行状态，指线程占有处理机正在运行；
阻塞状态，指线程在等待一个事件（如信号量），逻辑上不可执行。
3.进程和线程的关系
简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.
进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。
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，但线程之间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。
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。
4.线程同步互斥的4种方式
（1）临界区（Critical Section）：适合一个进程内的多线程访问公共区域或代码段时使用
（2）互斥量 (Mutex)：适合不同进程内多线程访问公共区域或代码段时使用，与临界区相似。
（3）事件（Event）：通过线程间触发事件实现同步互斥
（4）信号量（Semaphore）：与临界区和互斥量不同，可以实现多个线程同时访问公共区域数据，原理与操作系统中PV操作类似，先设置一个访问公共区域的线程最大连接数，每有一个线程访问共享区资源数就减一，直到资源数小于等于零。
#include <pthread.h>多线程函数
线程按照其调度者可以分为用户级线程和核心级线程两种 。用户级线程主要解决的是上下文切换的问题，它的调度算法和调度过程全部由用户自行选择决定，在运行时不需要特定的内核支持；
我们常用基本就是用户级线程，总结一下POSIX提供的用户级线程接口。
基本线程操作相关的函数：
1.线程的建立结束
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| pthread_create() | 创建线程开始运行相关线程函数，运行结束则线程退出 |
| pthread_eixt() | 因为exit()是用来结束进程的，所以则需要使用特定结束线程的函数 |
| pthread_join() | 挂起当前线程，用于阻塞式地等待线程结束，如果线程已结束则立即返回，0=成功 |
| pthread_cancel() | 发送终止信号给thread线程，成功返回0，但是成功并不意味着thread会终止 |
| pthread_testcancel() | 在不包含取消点，但是又需要取消点的地方创建一个取消点，以便在一个没有包含取消点的执行代码线程中响应取消请求. |
| pthread_setcancelstate() | 设置本线程对Cancel信号的反应 |
| pthread_setcanceltype() | 设置取消状态 继续运行至下一个取消点再退出或者是立即执行取消动作 |
| pthread_setcancel() | 设置取消状态 |
2.线程的互斥和同步
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| pthread_mutex_init() | 互斥锁的初始化 |
| pthread_mutex_lock() | 锁定互斥锁，如果尝试锁定已经被上锁的互斥锁则阻塞至可用为止 |
| pthread_mutex_trylock() | 非阻塞的锁定互斥锁 |
| pthread_mutex_unlock() | 释放互斥锁 |
| pthread_mutex_destory() | 互斥锁销毁函数 |
3.使用信号量控制线程(默认无名信号量)
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| sem_init(sem) | 初始化一个定位在sem的匿名信号量 |
| sem_wait() | 把信号量减1操作，如果信号量的当前值为0则进入阻塞，为原子操作 |
| sem_trywait() | 如果信号量的当前值为0则返回错误而不是阻塞调用(errno=EAGAIN),其实是sem_wait()的非阻塞版本 |
| sem_post() | 给信号量的值加1，它是一个“原子操作”，即同时对同一个信号量做加1,操作的两个线程是不会冲突的 |
| sem_getvalue(sval) | 把sem指向的信号量当前值放置在sval指向的整数上 |
| sem_destory(sem) | 销毁由sem指向的匿名信号量 |
4.线程的基本属性配置
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| pthread_attr_init() | 初始化配置一个线程对象的属性,需要用pthread_attr_destroy函数去除已有属性 |
| pthread_attr_setscope() | 设置线程属性 |
| pthread_attr_setschedparam() | 设置线程优先级 |
| pthread_attr_getschedparam() | 获取线程优先级 |
注意：使用线程，编译时需要引用软件库lpthread，如下：
gcc -o thread thread.c -lpthread
/* thread.c */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h> #define THREAD_NUMBER 3 /*线程数*/ #define REPEAT_NUMBER 5 /*每个线程中的小任务数*/ #define DELAY_TIME_LEVELS 10.0 /*小任务之间的最大时间间隔*/ // void * thrd_func(void *arg) { /* 线程函数例程 */ int thrd_num = (long)arg; int delay_time = 0; int count = 0; printf("Thread %d is starting\n", thrd_num); for (count = 0; count < REPEAT_NUMBER; count++) { delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1; sleep(delay_time); printf("\tThread %d: job %d delay = %d\n",thrd_num, count, delay_time); } printf("Thread %d finished\n", thrd_num); pthread_exit(NULL); } int main(void) { pthread_t thread[THREAD_NUMBER]; int no = 0, res; void * thrd_ret; srand(time(NULL)); for (no = 0; no < THREAD_NUMBER; no++) { /* 创建多线程 */ res = pthread_create(&thread[no], NULL, thrd_func, (void*) (long) no); if (res != 0) { printf("Create thread %d failed\n", no); exit(res); } } printf("Create treads success\n Waiting for threads to finish...\n"); for (no = 0; no < THREAD_NUMBER; no++) { /* 等待线程结束 */ res = pthread_join(thread[no], &thrd_ret); if (!res) { printf("Thread %d joined\n", no); } else { printf("Thread %d join failed\n", no); } } return 0; } 例程中循环3次建立3条线程，并且使用pthread_join函数依次等待线程结束； 线程中使用rand()获取随机值随机休眠5次，随意会出现后执行的线程先执行完成； 可以看到，线程1先于线程0执行，但是pthread_join的调用时间顺序，先等待线程0执行； 由于线程1已经早结束，所以线程0被pthread_join等到的时候，线程1已结束，就在等待到线程1时，直接返回； 执行结果如下： Create treads success Waiting for threads to finish... Thread 0 is starting Thread 1 is starting Thread 2 is starting Thread 0: job 0 delay = 3 Thread 1: job 0 delay = 9 Thread 2: job 0 delay = 10 Thread 0: job 1 delay = 9 Thread 1: job 1 delay = 4 Thread 0: job 2 delay = 1 Thread 2: job 1 delay = 7 Thread 0: job 3 delay = 8 Thread 1: job 2 delay = 9 Thread 1: job 3 delay = 1 Thread 2: job 2 delay = 9 Thread 1: job 4 delay = 4 Thread 1 finished Thread 0: job 4 delay = 10 Thread 0 finished Thread 0 joined Thread 1 joined Thread 2: job 3 delay = 8 Thread 2: job 4 delay = 4 Thread 2 finished Thread 2 joined基本线程建立示例
gcc -o thread_mutex thread_mutex.c -lpthread
/*thread_mutex.c*/ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h> #define THREAD_NUMBER 3 /* 线程数 */ #define REPEAT_NUMBER 3 /* 每个线程的小任务数 */ #define DELAY_TIME_LEVELS 10.0 /*小任务之间的最大时间间隔*/ pthread_mutex_t mutex; void *thrd_func(void *arg) { int thrd_num = (int)(long) arg; int delay_time = 0, count = 0; int res; /* 互斥锁上锁 */ res = pthread_mutex_lock(&mutex); if (res) { printf("Thread %d lock failed\n", thrd_num); pthread_exit(NULL); } printf("Thread %d lock \n", thrd_num); printf("Thread %d is starting\n", thrd_num); for (count = 0; count < REPEAT_NUMBER; count++) { delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1; sleep(delay_time); printf("\tThread %d: job %d delay = %d\n", thrd_num, count, delay_time); } printf("Thread %d finished\n", thrd_num); res = pthread_mutex_unlock(&mutex); if (res) { printf("Thread %d unlock failed\n", thrd_num); pthread_exit(NULL); } printf("Thread %d unlock\n", thrd_num); pthread_exit(NULL); } int main(void) { pthread_t thread[THREAD_NUMBER]; int no = 0, res; void * thrd_ret; srand(time(NULL)); /* 互斥锁初始化 */ pthread_mutex_init(&mutex, NULL); for (no = 0; no < THREAD_NUMBER; no++) { res = pthread_create(&thread[no], NULL, thrd_func, (void*)(long)no); if (res != 0) { printf("Create thread %d failed\n", no); exit(res); } } printf("Create treads success\n Waiting for threads to finish...\n"); for (no = 0; no < THREAD_NUMBER; no++) { res = pthread_join(thread[no], &thrd_ret); if (!res) { printf("Thread %d joined\n", no); } else { printf("Thread %d join failed\n", no); } } /****互斥锁解锁***/ pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; } 添加同步锁pthread_mutex_t 在线程中加入，于是程序在执行线程程序时； 调用pthread_mutex_lock上锁，发现上锁时候后进入等待，等待锁再次释放后重新上锁； 所以线程程序加载到队列中等待，等待成功上锁后继续执行程序代码； 运行结果： Create treads success Waiting for threads to finish... Thread 2 lock Thread 2 is starting Thread 2: job 0 delay = 7 Thread 2: job 1 delay = 2 Thread 2: job 2 delay = 1 Thread 2 finished Thread 2 unlock Thread 1 lock Thread 1 is starting Thread 1: job 0 delay = 2 Thread 1: job 1 delay = 6 Thread 1: job 2 delay = 8 Thread 1 finished Thread 1 unlock Thread 0 lock Thread 0 is starting Thread 0: job 0 delay = 7 Thread 0: job 1 delay = 1 Thread 0: job 2 delay = 8 Thread 0 finished Thread 0 unlock Thread 0 joined Thread 1 joined Thread 2 joined实现线程同步（互斥量）
1.创建线程
int pthread_create(pthread_t *restrict_ptid,const pthread_attr_t *restrict_attr,void *(*start_routine)(void*), void *restrict_arg);
（1）参数说明：
- ptid是一个pthread_t *类型的指针，pthread_t是类似pid_t的数据结构，表示线程ID；
- attr指明线程创建属性，如果为NULL就使用系统默认属性；
- start_routine是线程的主函数，它的参数是void *类型的指针，返回值也是void *类型的指针；
- arg是线程创建者传递给新建线程的参数，也就是start_routine的参数，如果需要向start_routine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中，然后把这个结构的地址作为restrict_arg的参数传入。
（2）返回值：
若线程创建成功，则返回0。若线程创建失败，则返回出错编号
（3）注意事项：
线程创建者和新建线程之间没有fork()调用那样的父子关系，它们是对等关系。调用pthread_create()创建线程后，线程创建者和新建线程哪个先运行是不确定的，特别是在多处理机器上。
2.终止线程
void pthread_exit(void *value_ptr);
（1）参数说明：value_ptr作为线程的返回值被调用pthread_join的线程使用。
（2）注意事项：由于一个进程中的多个线程是共享数据段的，因此通常在线程退出之后，退出线程所占用的资源并不会随着线程的终止而得到释放，但是可以用pthread_join()函数来同步并释放资源。
3.pthread_self()：该函数返回调用线程的ID.这个数值与调用 pthread_create 创建本线程时使用的*thread 参数返回的值是一样的。
注意:Thread IDs 仅仅保证在一个进程内部的唯一性。当一个结束了的线程 joined（使用join等待一个线程结束）之后， 或者一个detached 状态的线程被结束 thread ID可能会被重新使用。 pthread_self()返回的线程ID与 调用 gettid()得到的内核线程ID是不一样的。
4.pthread_equal()：比较线程ID，线程ID的大小没有意义。
引入原因：在线程中，线程ID的类型是pthread_t类型，由于在Linux下线程采用POSIX标准，所以，在不同的系统下，pthread_t的类型是不同的，比如在ubuntn下，是unsigned long类型，而在solaris系统中，是unsigned int类型。而在FreeBSD上才用的是结构题指针。 所以不能直接使用==判读，而应该使用pthread_equal来判断。
3.取消线程
int pthread_cancel(pthread_t thread);
注意：若是在整个程序退出时，要终止各个线程，应该在成功发送 CANCEL指令后，使用 pthread_join函数，等待指定的线程已经完全退出以后，再继续执行；否则，很容易产生 “段错误”。
4.连接线程（阻塞）
int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);
等待线程thread结束，并设置*value_ptr为thread的返回值。pthread_join阻塞调用者，一直到线程thread结束为止。当函数返回时，被等待线程的资源被收回。如果进程已经结束，那么该函数会立即返回。并且thread指定的线程必须是joinable的。
线程终止有一下几种方法：
1.从主函数返回;
2.自己调用pthread_exit();
3.其他线程调用pthread_cancel();
4.线程所属的进程中任何线程调用exit()导致所有线程结束。
5.分离线程
int pthread_detach(pthread_t thread);
分离线程的语意是，线程thread结束后系统可以回收它的私有数据。
注释：pthread有两种状态joinable状态和unjoinable状态 一个线程默认的状态是joinable，如果线程是joinable状态，当线程函数自己返回退出时或pthread_exit时都不会释放线程所占用堆栈和线程描述符（总计8K多）。只有当你调用了pthread_join之后这些资源才会被释放。若是unjoinable状态的线程，这些资源在线程函数退出时或pthread_exit时自动会被释放。unjoinable属性可以在pthread_create时指定，或在线程创建后在线程中pthread_detach自己,如：pthread_detach(pthread_self())或者父线程调用pthread_detach(thread_id)结束相应子进程。
参考文档：
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