os-线程总结

概念

现代系统允许一个进程里同时运行多个线程，线程由内核自动调度。每个线程都有它自己的线程上下文，包括一个唯一的整数线程ID、栈、栈指针、程序计数器（PC）、通用目的寄存器和条件码。

共享本进程虚拟地址空间的所有内容，包括它的代码、数据、堆、共享库和打开的文件。

Posix线程（Pthreads）是在C程序中处理线程的标准接口。

线程上下文模型

线程库

linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的互斥锁、条件变量、信号量和读写锁。

pthread线程库

线程基本函数，linux下man pthread.h请查看。

头文件pthread.h, gcc链接是参数: -lpthread 。

1.创建线程：
int pthrad_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*func)(void *), void *arg);

• tid: 输出参数，保存返回的线程ID（与linux系统中的线程ID不一样，这个ID应该理解为一个地址），用无符号长整型表示；
• attr: 输入参数，线程的相关属性，如线程优先级、初始栈大小、是否为守护进程等，一般置为NULL，表示使用默认属性；
• func: 输入参数，一个函数指针（void *job(void *arg);），线程执行的函数；
• arg: 输入参数，函数的参数，如果有多个参数须将其封装为一个结构体；
  返回值：成功返回0，失败返回errno值（正数）；

2.退出线程：
void pthread_exit(void *status);

• status: 输入状态，退出状态

3.等待线程退出：
int pthread_join(pthread_t tid, void **status);

• tid: 输入参数，指定等待的线程ID;
• status: 输出参数，一个二级指针，保存退出值，可为NULL； 返回值：成功返回0，失败返回errno值;
• 功能：会阻塞直到线程tid终止，将线程例程返回的通用（void*）指针赋值为thread_return指向的位置，然后回收已终止线程占用的所有资源。

4.获取当前线程ID ：
pthread_t pthread_self(void);

5.分离线程 ：
int pthread_detach(pthread_t tid);

• tid：输入参数，指定的线程ID；
• 返回值：成功返回0，失败返回errno值；

结合线程&分离线程

在任何时间节点上，线程是可结合的或者是分离的。

• 结合线程：能够被其他线程回收和杀死，在他被回收之前内存资源不释放的；
• 分离线程：不能被其他线程回收或杀死，他的内存资源在它终止时由系统自动释放；

通信（同步）方式

互斥锁

互斥锁是同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分代码。

1.静态初始化：static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2.动态初始化：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);:

• mutex：输出参数，互斥变量；
• 返回值：成功返回0，失败返回errno值；
• attr：输入参数，锁属性，NULL值为默认属性,不同的锁类型在试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不同。当前有四个值可供选择：
  • PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP: 这是缺省值，也就是普通锁。当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将形成一个等待队列，并在解锁后按优先级获得锁。这种锁策略保证了资源分配的公平性。
  • PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP: 嵌套锁，允许同一个线程对同一个锁成功获得多次，并通过多次unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新竞争。
  • PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP: 检错锁，如果同一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同。这样就保证当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。
  • PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP: 适应锁，动作最简单的锁类型，仅等待解锁后重新竞争。

3.阻塞加锁：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

4.非阻塞加锁：
int pthread_mutex_trylock( pthread_mutex_t *mutex);
不同于阻塞加锁，已经被占用时返回EBUSY而不是挂起等待。

5.解锁（要求，锁是lock状态，并且由加锁线程解锁）：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *mutex);

6.销毁锁（要求，锁是unlock状态，否则返回EBUSY）：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

条件变量

条件变量是利用线程间共享全局变量进行的一种机制。条件变量上基本操作有：触发条件（当条件变量为true时）；等待条件，挂起线程直到其他线程出发条件。

1.静态初始化、动态初始化（和互斥锁相似）：
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;：静态初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);：动态初始化

2.无条件等待：
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);

3.计时等待：
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

无条件等待、或计时等待都必须和互斥锁配合以防止多个线程同时请求：

• mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP）;
• 在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。
• 在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。

4.激发条件，激活一个等待该条件的线程（存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个）：
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

5.激活所有等待线程：
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

6.销毁条件变量：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

• 只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能销毁这个条件变量，否则返回EBUSY

说明：

1. pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。
2. 互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）
3. 条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁

为什么pthread_cond_wait需要的互斥锁不在函数内部定义，而要使用户定义的呢？

• pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timewait 函数为什么需要互斥锁？因为：条件变量是线程同步的一种方法，这两个函数又是等待信号的函数，函数内部一定有须要同步保护的数据。
• 使用用户定义的互斥锁而不在函数内部定义的原因是：无法确定会有多少用户使用条件变量，所以每个互斥锁都须要动态定义，而且管理大量互斥锁的开销太大，使用用户定义的即灵活又方便，符合UNIX哲学的编程风格（随便推荐阅读《UNIX编程哲学》这本好书！）。
• 大神推测pthread_cond_wait函数的内部结构时

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)
   {
      if（没有条件信号）
      {
         （1）pthread_mutex_unlock (mutex); // 因为用户在函数外面已经加锁了（这是使用约定），但是在没有信号的情况下为了让其他线程也能等待cond，必须解锁。
         （2） 阻塞当前线程，等待条件信号（当然应该是类似于中断触发的方式等待，而不是软件轮询的方式等待）... 有信号就继续执行后面。
         （3） pthread_mutex_lock (mutex); // 因为用户在函数外面要解锁（这也是使用约定），所以要与1呼应加锁，保证用户感觉依然是自己加锁、自己解锁。
      }      
      ...
  }

作为有态度的技术人揣测咱们也不能轻易的相信，探究pthread_cond_wait函数的内部结构过程：

1.从http://ftp.gnu.org/gnu/glibc/ 下载最新的glibc-2.29.tar.gz(本人下载)，在nptl目录下的pthread_cond_wait.c文件中

2.函数实现，整体过程跟大神讲的差不多，不同点在于加锁和解锁在循环外面

static __always_inline int
__pthread_cond_wait_common (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex,
    const struct timespec *abstime)
{
...
// 解锁
err = __pthread_mutex_unlock_usercnt (mutex, 0);
...
do
    {
      while (1)
	{
    ...
    }

    }
  while (!atomic_compare_exchange_weak_acquire (cond->__data.__g_signals + g, &signals, signals - 2));
...
// 加锁
err = __pthread_mutex_cond_lock (mutex);

信号量

如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信。

头文件semaphore.h, 记得man查看详情。

1.初始化
int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

• sem: 指定要初始化的信号量；
• pshared: 信号量 sem 的共享选项，linux只支持0，表示它是当前进程的局部信号量；
• value: 信号量 sem 的初始值。

2.信号量值加1
int sem_post(sem_t *sem);

3.信号量值减1
int sem_wait(sem_t *sem);

4.销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

读写锁

读锁：一个读锁占用的临界区后来的读锁也可以进入，但是如果是写锁，则阻塞。在写锁阻塞后，后面再来读锁也会阻塞。这样避免读锁长期占用资源，防止写锁饥俄。
写锁：写锁占用了临界区，其他的线程（读写锁）都会阻塞。

1.初始化

// 动态初始化
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

// 静态初始化
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

2.读写锁

// 加锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 
// 解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 

// 试图加锁
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 

// 计时加锁
int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict abs_timeout); 
int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict abs_timeout);

3.销毁锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

并发小示例

要求：用两个线程分别输出数组的奇数下标和偶数下标的内容;

实现（忽略捕获异常）：

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<sys/syscall.h>

#define gettid() syscall(__NR_gettid)

int len = 5;
int arr[5] = {1,2,3,4,5};
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void printOddNumber(int * arr);
void printEvenNumber(int * arr);


int main(){

    pthread_t tid1, tid2;
    errno = pthread_create(&tid1 , NULL, printOddNumber, arr);
    errno = pthread_create(&tid2, NULL, printEvenNumber, arr);

    errno = pthread_join(tid1, NULL);
    errno = pthread_join(tid2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    printf("-------leave thread_main (pid: %d, tid: %ld) -------\n", getpid(), gettid());
}

void printOddNumber(int* arr){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("-------thread odd ( pid: %d , tid: %ld ) \n", getpid(), gettid());
    int i = 0;
    for(i = 1; i < len ;  ){
        printf("odd number : %d \n",arr[i]);
        i+=2;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void printEvenNumber(int* arr){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("-------thread even ( pid: %d , tid: %ld ) \n", getpid(), gettid());
    int i = 0;
    for(i = 0 ; i < len ; ){
        printf("even number : %d \n" , arr[i]);
        i+=2;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

编译：
gcc -o pthread_array pthread-array.c -lpthread
编译时warn可忽略。。。

输出：

./pthread_array

-------thread odd ( pid: 23672 , tid: 23673 )
odd number : 2
odd number : 4
-------thread even ( pid: 23672 , tid: 23674 )
even number : 1
even number : 3
even number : 5
-------leave thread_main (pid: 23672, tid: 23672) -------

一个进程23672，三个线程（算main线程），即一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程 。

参考

• CASAPP
• https://blog.csdn.net/vertor11/article/details/55657619
• https://www.zfl9.com/c-pthread.html