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前言
线程#xff1f;为什么有了进程还需要线程呢#xff0c;他们有什么区别#xff1f;使用线程有什么优势呢#xff1f;还有多线程编程的一些细节问题#xff0c;如线程之间怎样同步、…——本文一个例子展开介绍Linux下面线程的操作、多线程的同步和互斥。
前言
线程为什么有了进程还需要线程呢他们有什么区别使用线程有什么优势呢还有多线程编程的一些细节问题如线程之间怎样同步、互斥这些东西将在本文中介绍。我在某QQ群里见到这样一道面试题 是否熟悉POSIX多线程编程技术如熟悉编写程序完成如下功能 1有一int型全局变量g_Flag初始值为0 2 在主线称中起动线程1打印“this is thread1”并将g_Flag设置为1 3 在主线称中启动线程2打印“this is thread2”并将g_Flag设置为2 4 线程序1需要在线程2退出后才能退出 5 主线程在检测到g_Flag从1变为2或者从2变为1的时候退出 我们带着这题开始这篇文章结束之后大家就都会做了。本文的框架如下
1、进程与线程 2、使用线程的理由 3、有关线程操作的函数 4、线程之间的互斥 5、线程之间的同步 6、试题最终代码
1、进程与线程
进程是程序执行时的一个实例即它是程序已经执行到何种程度的数据结构的汇集。从内核的观点看进程的目的就是担当分配系统资源CPU时间、内存等的基本单位。
线程是进程的一个执行流是CPU调度和分派的基本单位它是比进程更小的能独立运行的基本单位。一个进程由几个线程组成拥有很多相对独立的执行流的用户程序共享应用程序的大部分数据结构线程与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。 进程——资源分配的最小单位线程——程序执行的最小单位 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。但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。
2、使用线程的理由
从上面我们知道了进程与线程的区别其实这些区别也就是我们使用线程的理由。总的来说就是进程有独立的地址空间线程没有单独的地址空间同一进程内的线程共享进程的地址空间。下面的内容摘自Linux下的多线程编程
使用多线程的理由之一是和进程相比它是一种非常节俭的多任务操作方式。我们知道在Linux系统下启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段这是一种昂贵的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程它们彼此之间使用相同的地址空间共享大部分数据启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间而且线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计总的说来一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右当然在具体的系统上这个数据可能会有较大的区别。
使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说它们具有独立的数据空间要进行数据的传递只能通过通信的方式进行这种方式不仅费时而且很不方便。线程则不然由于同一进程下的线程之间共享数据空间所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用这不仅快捷而且方便。当然数据的共享也带来其他一些问题有的变量不能同时被两个线程所修改有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。
除了以上所说的优点外不和进程比较多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式当然有以下的优点
提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义当一个操作耗时很长时整个系统都会等待这个操作此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作而使用多线程技术将耗时长的操作time consuming置于一个新的线程可以避免这种尴尬的情况。 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时不同的线程运行于不同的CPU上。 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程成为几个独立或半独立的运行部分这样的程序会利于理解和修改。 从函数调用上来说进程创建使用fork()操作线程创建使用clone()操作。Richard Stevens大师这样说过 fork is expensive. Memory is copied from the parent to the child, all descriptors are duplicated in the child, and so on. Current implementations use a technique called copy-on-write, which avoids a copy of the parents data space to the child until the child needs its own copy. But, regardless of this optimization, fork is expensive. IPC is required to pass information between the parent and child after the fork. Passing information from the parent to the child before the fork is easy, since the child starts with a copy of the parents data space and with a copy of all the parents descriptors. But, returning information from the child to the parent takes more work.
Threads help with both problems. Threads are sometimes called lightweight processes since a thread is lighter weight than a process. That is, thread creation can be 10–100 times faster than process creation.
All threads within a process share the same global memory. This makes the sharing of information easy between the threads, but along with this simplicity comes the problem of synchronization. 3、有关线程操作的函数 #include pthread.h
int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*func) (void *), void *arg); \n
int pthread_join (pthread_t tid, void ** status);
pthread_t pthread_self (void);
int pthread_detach (pthread_t tid);
void pthread_exit (void *status); pthread_create用于创建一个线程成功返回0否则返回Exxx为正数。
pthread_t *tid线程id的类型为pthread_t通常为无符号整型当调用pthread_create成功时通过*tid指针返回。 const pthread_attr_t *attr指定创建线程的属性如线程优先级、初始栈大小、是否为守护进程等。可以使用NULL来使用默认值通常情况下我们都是使用默认值。 void *(*func) (void *)函数指针func指定当新的线程创建之后将执行的函数。 void *arg线程将执行的函数的参数。如果想传递多个参数请将它们封装在一个结构体中。
pthread_join用于等待某个线程退出成功返回0否则返回Exxx为正数。
pthread_t tid指定要等待的线程ID void ** status如果不为NULL那么线程的返回值存储在status指向的空间中这就是为什么status是二级指针的原因这种才参数也称为“值-结果”参数。
pthread_self用于返回当前线程的ID。
pthread_detach用于是指定线程变为分离状态就像进程脱离终端而变为后台进程类似。成功返回0否则返回Exxx为正数。变为分离状态的线程如果线程退出它的所有资源将全部释放。而如果不是分离状态线程必须保留它的线程ID退出状态直到其它线程对它调用了pthread_join。 进程也是类似这也是当我们打开进程管理器的时候发现有很多僵死进程的原因也是为什么一定要有僵死这个进程状态。 pthread_exit用于终止线程可以指定返回值以便其他线程通过pthread_join函数获取该线程的返回值。
void *status指针线程终止的返回值。
知道了这些函数之后我们试图来完成本文一开始的问题
1有一int型全局变量g_Flag初始值为0
2在主线称中起动线程1打印“this is thread1”并将g_Flag设置为1
3在主线称中启动线程2打印“this is thread2”并将g_Flag设置为2
这3点很简单嘛不就是调用pthread_create创建线程。代码如下 /*
* 1有一int型全局变量g_Flag初始值为0
*
* 2在主线称中起动线程1打印“this is thread1”并将g_Flag设置为1
*
* 3在主线称中启动线程2打印“this is thread2”并将g_Flag设置为2
*
*/
#includestdio.h
#includestdlib.h
#includepthread.h
#includeerrno.h
#includeunistd.h
int g_Flag0;
void* thread1(void*);
void* thread2(void*);
/*
* when program is started, a single thread is created, called the initial thread or main thread.
* Additional threads are created by pthread_create.
* So we just need to create two thread in main().
*/
int main(int argc, char** argv)
{
printf(enter main\n);
pthread_t tid1, tid2;
int rc10, rc20;
rc2 pthread_create(tid2, NULL, thread2, NULL);
if(rc2 ! 0)
printf(%s: %d\n,__func__, strerror(rc2));
rc1 pthread_create(tid1, NULL, thread1, tid2);
if(rc1 ! 0)
printf(%s: %d\n,__func__, strerror(rc1));
printf(leave main\n);
exit(0);
}
/*
* thread1() will be execute by thread1, after pthread_create()
* it will set g_Flag 1;
*/
void* thread1(void* arg)
{
printf(enter thread1\n);
printf(this is thread1, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
g_Flag 1;
printf(this is thread1, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
printf(leave thread1\n);
pthread_exit(0);
}
/*
* thread2() will be execute by thread2, after pthread_create()
* it will set g_Flag 2;
*/
void* thread2(void* arg)
{
printf(enter thread2\n);
printf(this is thread2, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
g_Flag 2;
printf(this is thread1, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
printf(leave thread2\n);
pthread_exit(0);
} 这样就完成了1、2、3这三点要求。编译执行得如下结果
netskyubuntu:~/workspace/pthead_test$ gcc -lpthread test.c
如果程序中使用到了pthread库中的函数除了要#includepthread.h在编译的时候还有加上-lpthread 选项。 netskyubuntu:~/workspace/pthead_test$ ./a.out enter main enter thread2 this is thread2, g_Flag: 0, thread id is 3079588720 this is thread1, g_Flag: 2, thread id is 3079588720 leave thread2 leave main enter thread1 this is thread1, g_Flag: 2, thread id is 3071196016 this is thread1, g_Flag: 1, thread id is 3071196016 leave thread1 但是运行结果不一定是上面的还有可能是
netskyubuntu:~/workspace/pthead_test$ ./a.out enter main leave main enter thread1 this is thread1, g_Flag: 0, thread id is 3069176688 this is thread1, g_Flag: 1, thread id is 3069176688 leave thread1
或者是
netskyubuntu:~/workspace/pthead_test$ ./a.out enter main leave main 等等。这也很好理解因为这取决于主线程main函数何时终止线程thread1、thread2是否能够来得急执行它们的函数。这也是多线程编程时要注意的问题因为有可能一个线程会影响到整个进程中的所有其它线程如果我们在main函数退出前sleep()一段时间就可以保证thread1、thread2来得及执行。 Attention:大家肯定已经注意到了我们在线程函数thread1()、thread2()执行完之前都调用了pthread_exit。如果我是调用exit()又或者是return会怎样呢自己动手试试吧 pthread_exit()用于线程退出可以指定返回值以便其他线程通过pthread_join函数获取该线程的返回值。 return是函数返回只有线程函数return线程才会退出。 exit是进程退出如果在线程函数中调用exit进程中的所有函数都会退出 “4 线程序1需要在线程2退出后才能退出”第4点也很容易解决直接在thread1的函数退出之前调用pthread_join就OK了。
4、线程之间的互斥
上面的代码似乎很好的解决了问题的前面4点要求其实不然因为g_Flag是一个全局变量线程thread1和thread2可以同时对它进行操作需要对它进行加锁保护thread1和thread2要互斥访问才行。下面我们就介绍如何加锁保护——互斥锁。 互斥锁 使用互斥锁互斥可以使线程按顺序执行。通常互斥锁通过确保一次只有一个线程执行代码的临界段来同步多个线程。互斥锁还可以保护单线程代码。 互斥锁的相关操作函数如下 #include pthread.h
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mptr);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mptr);
//Both return: 0 if OK, positive Exxx value on error 在对临界资源进行操作之前需要pthread_mutex_lock先加锁操作完之后pthread_mutex_unlock再解锁。而且在这之前需要声明一个pthread_mutex_t类型的变量用作前面两个函数的参数。具体代码见第5节。
5、线程之间的同步
第5点——主线程在检测到g_Flag从1变为2或者从2变为1的时候退出。就需要用到线程同步技术线程同步需要条件变量。 条件变量 使用条件变量可以以原子方式阻塞线程直到某个特定条件为真为止。条件变量始终与互斥锁一起使用。对条件的测试是在互斥锁互斥的保护下进行的。 如果条件为假线程通常会基于条件变量阻塞并以原子方式释放等待条件变化的互斥锁。如果另一个线程更改了条件该线程可能会向相关的条件变量发出信号从而使一个或多个等待的线程执行以下操作 唤醒 再次获取互斥锁 重新评估条件 在以下情况下条件变量可用于在进程之间同步线程 线程是在可以写入的内存中分配的 内存由协作进程共享 “使用条件变量可以以原子方式阻塞线程直到某个特定条件为真为止。”即可用到第5点主线程main函数阻塞于等待g_Flag从1变为2或者从2变为1。条件变量的相关函数如下 #include pthread.h
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);
//Both return: 0 if OK, positive Exxx value on error pthread_cond_wait用于等待某个特定的条件为真pthread_cond_signal用于通知阻塞的线程某个特定的条件为真了。在调用者两个函数之前需要声明一个pthread_cond_t类型的变量用于这两个函数的参数。
为什么条件变量始终与互斥锁一起使用对条件的测试是在互斥锁互斥的保护下进行的呢因为“某个特性条件”通常是在多个线程之间共享的某个变量。互斥锁允许这个变量可以在不同的线程中设置和检测。
通常pthread_cond_wait只是唤醒等待某个条件变量的一个线程。如果需要唤醒所有等待某个条件变量的线程需要调用 int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t * cptr); 默认情况下面阻塞的线程会一直等待知道某个条件变量为真。如果想设置最大的阻塞时间可以调用 int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t * cptr, pthread_mutex_t *mptr, const struct timespec *abstime); 如果时间到了条件变量还没有为真仍然返回返回值为ETIME。
6、试题最终代码
通过前面的介绍我们可以轻松的写出代码了如下所示 /*
是否熟悉POSIX多线程编程技术如熟悉编写程序完成如下功能
1有一int型全局变量g_Flag初始值为0
2在主线称中起动线程1打印“this is thread1”并将g_Flag设置为1
3在主线称中启动线程2打印“this is thread2”并将g_Flag设置为2
4线程序1需要在线程2退出后才能退出
5主线程在检测到g_Flag从1变为2或者从2变为1的时候退出
*/
#includestdio.h
#includestdlib.h
#includepthread.h
#includeerrno.h
#includeunistd.h
typedef void* (*fun)(void*);
int g_Flag0;
static pthread_mutex_t mutex PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void* thread1(void*);
void* thread2(void*);
/*
* when program is started, a single thread is created, called the initial thread or main thread.
* Additional threads are created by pthread_create.
* So we just need to create two thread in main().
*/
int main(int argc, char** argv)
{
printf(enter main\n);
pthread_t tid1, tid2;
int rc10, rc20;
rc2 pthread_create(tid2, NULL, thread2, NULL);
if(rc2 ! 0)
printf(%s: %d\n,__func__, strerror(rc2));
rc1 pthread_create(tid1, NULL, thread1, tid2);
if(rc1 ! 0)
printf(%s: %d\n,__func__, strerror(rc1));
pthread_cond_wait(cond, mutex);
printf(leave main\n);
exit(0);
}
/*
* thread1() will be execute by thread1, after pthread_create()
* it will set g_Flag 1;
*/
void* thread1(void* arg)
{
printf(enter thread1\n);
printf(this is thread1, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
pthread_mutex_lock(mutex);
if(g_Flag 2)
pthread_cond_signal(cond);
g_Flag 1;
printf(this is thread1, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
pthread_mutex_unlock(mutex);
pthread_join(*(pthread_t*)arg, NULL);
printf(leave thread1\n);
pthread_exit(0);
}
/*
* thread2() will be execute by thread2, after pthread_create()
* it will set g_Flag 2;
*/
void* thread2(void* arg)
{
printf(enter thread2\n);
printf(this is thread2, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
pthread_mutex_lock(mutex);
if(g_Flag 1)
pthread_cond_signal(cond);
g_Flag 2;
printf(this is thread1, g_Flag: %d, thread id is %u\n,g_Flag, (unsigned int)pthread_self());
pthread_mutex_unlock(mutex);
printf(leave thread2\n);
pthread_exit(0);
} 编译运行可以得到符合要求的结果
