多线程编程之Linux环境下的多线程（一）
多线程编程之Linux环境下的多线程（二）
多线程编程之Linux环境下的多线程（三）
1. Linux环境下的线程
相对于其他操作系统，Linux系统内核只提供了轻量级进程的支持，并未实现线程模型。Linux是一种“多进程单线程”的操作系统，Linux本身只有进程的概念，而其所谓的“线程”本质上在内核里仍然是进程。
进程是资源分配的单位，同一进程中的多个线程共享该进程的资源（如作为共享内存的全局变量）。Linux中所谓的“线程”只是在被创建时clone了父进程的资源，因此clone出来的进程表现为“线程”，这一点一定要弄清楚。因此，Linux“线程”这个概念只有在打引号的情况下才是最准确的。
目前Linux中最流行的线程机制为LinuxThreads，所采用的就是线程－进程“一对一”模型，调度交给核心，而在用户级实现一个包括信号处理在内的线程管理机制。LinuxThreads由Xavier Leroy负责开发完成，并已绑定在GLIBC中发行，它实现了一种BiCapitalized面向Linux的Posix 1003.1c “pthread”标准接口。Linuxthread可以支持Intel、Alpha、MIPS等平台上的多处理器系统。
需要注意的是，Linuxthread线程模型存在一些缺陷，尤其是在信号处理、调度和进程间同步原语方面都存在问题。并且，这个线程模型也不符合POSIX标准的要求。为了解决LinuxThread的缺陷，RedHat开发了一套符合POSIX标准的新型线程模型：NPTL（Native POSIX Thread Library）。关于Linuxthread与NPTL的比较，请参考文章：Linux 线程模型的比较：LinuxThreads 和 NPTL。
2 Linux环境下的多线程编译支持
按照POSIX 1003.1c 标准编写的程序与Linuxthread 库相链接即可支持Linux平台上的多线程，在程序中需包含头文件pthread. h，在编译链接时使用命令：
gcc -D -REENTRANT -lpthread xxx. c
其中-REENTRANT宏使得相关库函数(如stdio.h、errno.h中函数) 是可重入的、线程安全的(thread-safe)，-lpthread则意味着链接库目录下的libpthread.a或libpthread.so文件。
在一个多线程程序里，默认情况下，只有一个errno变量供所有的线程共享。在一个线程准备获取刚才的错误代码时，该变量很容易被另一个线程中的函数调用所改变。类似的问题还存在于fputs之类的函数中，这些函数通常用一个单独的全局性区域来缓存输出数据。
为解决这个问题，需要使用可重入的例程。可重入代码可以被多次调用而仍然工作正常。编写的多线程程序，通过定义宏_REENTRANT来告诉编译器我们需要可重入功能，这个宏的定义必须出现于程序中的任何#include语句之前。
_REENTRANT为我们做三件事情，并且做的非常优雅：
它会对部分函数重新定义它们的可安全重入的版本，这些函数名字一般不会发生改变，只是会在函数名后面添加_r字符串，如函数名gethostbyname变成gethostbyname_r。
stdio.h中原来以宏的形式实现的一些函数将变成可安全重入函数。
在error.h中定义的变量error现在将成为一个函数调用，它能够以一种安全的多线程方式来获取真正的errno的值。
3. Linux环境下的多线程函数
3.1 线程创建
在进程被创建时，系统会为其创建一个主线程，而要在进程中创建新的线程，则可以调用pthread_create函数：
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
参数说明：
- thread：指向pthread_create类型的指针，用于引用新创建的线程。
- attr：用于设置线程的属性，一般不需要特殊的属性，所以可以简单地设置为NULL。
- start_routine：传递新线程所要执行的函数地址。
- arg：新线程所要执行的函数的参数。
返回值：
调用如果成功，则返回值是0；如果失败则返回错误代码。
每个线程都有自己的线程ID，以便在进程内区分。线程ID在pthread_create调用时回返给创建线程的调用者；一个线程也可以在创建后使用pthread_self()调用获取自己的线程ID：
3.2 线程退出
线程的退出方式有三种：
- 执行完成后隐式退出；
- 由线程本身显示调用pthread_exit 函数退出；
pthread_exit (void * retval);
- 被其他线程用pthread_cance函数终止：
pthread_cancel (pthread_t thread);
如果一个线程要等待另一个线程的终止，可以使用pthread_join函数，该函数的作用是调用pthread_join的线程将被挂起直到线程ID为参数thread的线程终止：
pthread_join (pthread_t thread, void** threadreturn);
3.3 简单的多线程示例
一个简单的Linux多线程示例如下：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void *thread_function(void *arg);
char message[] = "Hello World";
int main()
{
int res;
pthread_t a_thread;
void *thread_result;
res = pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function, (void *)message);
if (res != 0)
{
perror("Thread creation failed!");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Waiting for thread to finish.../n");
res = pthread_join(a_thread, &thread_result);
if (res != 0)
{
perror("Thread join failed!/n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined, it returned %s/n", (char *)thread_result);
printf("Message is now %s/n", message);
exit(EXIT_FAILURE);
}
void *thread_function(void *arg)
{
printf("thread_function is running. Argument was %s/n", (char *)arg);
sleep(3);
strcpy(message, "Bye!");
pthread_exit("Thank you for your CPU time!");
}
编译语句如下：
gcc -D_REENTRANT thread1.c -o thread1 -lpthread
输出结果是：
$./thread1[输出]： thread_function is running. Argument was Hello World
Waiting for thread to finish...
Thread joined, it returned Thank you for your CPU time!
Message is now Bye!
在这个例子中，pthread_exit(void *retval)本身返回的就是指向某个对象的指针，因此，pthread_join(pthread_t th, void **thread_return);中的thread_return是二级指针，指向线程返回值的指针。可以看到，我们创建的新线程修改的数组message的值，而原先的线程也可以访问该数组。如果我们调用的是fork而不是pthread_create，就不会有这样的效果了。因为fork创建子进程之后，子进程会拷贝父进程，两者分离，相互不干扰，而线程之间则是共享进程的相关资源。
4. 线程互斥
互斥意味着具有“排它性”，即两个线程不能同时进入被互斥保护的代码。Linux下可以通过pthread_mutex_t 定义互斥体机制完成多线程的互斥操作，该机制的作用是对某个需要互斥的部分，在进入时先得到互斥体，如果没有得到互斥体，表明互斥部分被其它线程拥有，此时欲获取互斥体的线程阻塞，直到拥有该互斥体的线程完成互斥部分的操作为止。 互斥量的操作函数包括：
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t, *mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);
与其他函数一样，这些函数成功时返回0，失败时将返回错误代码，但这些函数并不设置errno，所以必须对函数的返回代码进行检查。下面以一个例子来说明用法：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#define SIZE 1024
char buffer[SIZE];
void *thread_function(void *arg);
pthread_mutex_t mutex;
int main()
{
int res;
pthread_t a_thread;
void *thread_result;
res = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
if (res != 0)
{
perror("Mutex init failed!");
exit(EXIT_FAILURE);
}
res = pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function, NULL);
if (res != 0)
{
perror("Thread create failed!");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Input some text. Enter 'end' to finish/n");
while (1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
scanf("%s", buffer);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
if (strncmp("end", buffer, 3) == 0)
break;
sleep(1);
}
res = pthread_join(a_thread, &thread_result);
if (res != 0)
{
perror("Thread join failed!");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined/n");
pthread_mutex_destroy(&mutex);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void *thread_function(void *arg)
{
sleep(1);
while (1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("You input %d characters/n", strlen(buffer));
pthread_mutex_unlock(&mutex);
if (strncmp("end", buffer, 3) == 0)
break;
sleep(1);
}
}
编译语句为：
gcc -D_REENTRANT thread4.c -o thread4 -lpthread
运行结果为：
$ ./thread2
Input some text. Enter 'end' to finish 123 You input 3 characters 1234 You input 4 characters 12345 You >input 5 characters
end
You input 3 characters
Thread joined
5. 读写锁
当有一个线程已经持有互斥锁时，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形，当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源，而同时有其它几个线程也想读取这个共享资源，但是由于互斥锁的排它性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读访问共享资源了，但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。
读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更高的并行性。互斥量要么是锁住状态要么是不加锁状态，一次只能有一个线程对其加锁。而读写锁有三种状态：读模式下加锁状态，写模式下加锁状态，不加锁状态。一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁。
虽然读写锁的实现有很多种不同的方式，不过当读写锁处于读模式锁住状态时，如果有另外的线程试图加以写模式锁，读写锁通常都会阻塞随后的读模式加锁请求，这样可以避免读模式锁长期占用，而等待的写模式锁请求一直得不到满足。
读写锁的特点如下：
- 如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
- 如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
读写锁分为读锁和写锁，规则如下：
- 如果某线程申请了读锁，其它线程可以再申请读锁，但不能申请写锁。
- 如果某线程申请了写锁，其它线程不能申请读锁，也不能申请写锁。
读写锁也叫共享-独占锁，读写锁非常适合对数据结构读的次数远大于写次数的情况。读写锁的接口函数包括以下几个：
5.1 创建与销毁
#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
5.2 读加锁和写加锁
#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
5.3 非阻塞式获得读写锁
#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
5.4 读写锁程序示例
下面是一个使用读写锁来实现 4 个线程读写一段数据是实例。在此示例程序中，共创建了 4 个线程，其中两个线程用来写入数据，两个线程用来读取数据。当某个线程读操作时，其他线程允许读操作，却不允许写操作；当某个线程写操作时，其它线程都不允许读或写操作。
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock; //读写锁
int num = 1;
//读操作，其他线程允许读操作，却不允许写操作
void *fun1(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("read num first===%d\n",num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
//读操作，其他线程允许读操作，却不允许写操作
void *fun2(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("read num second===%d\n",num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(2);
}
}
//写操作，其它线程都不允许读或写操作
void *fun3(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
num++;
printf("write thread first\n");
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(2);
}
}
//写操作，其它线程都不允许读或写操作
void *fun4(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
num++;
printf("write thread second\n");
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t ptd1, ptd2, ptd3, ptd4;
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);//初始化一个读写锁
//创建线程
pthread_create(&ptd1, NULL, fun1, NULL);
pthread_create(&ptd2, NULL, fun2, NULL);
pthread_create(&ptd3, NULL, fun3, NULL);
pthread_create(&ptd4, NULL, fun4, NULL);
//等待线程结束，回收其资源
pthread_join(ptd1,NULL);
pthread_join(ptd2,NULL);
pthread_join(ptd3,NULL);
pthread_join(ptd4,NULL);
pthread_rwlock_destroy(&rwlock);//销毁读写锁
return 0;
}
