多線程的使用
本章將分為兩大部分進(jìn)行講解，前半部分將引出線程的使用場(chǎng)景及基本概念，通過(guò)示例代碼來(lái)說(shuō)明一個(gè)線程創(chuàng)建到退出到回收的基本流程。后半部分則會(huì)通過(guò)示例代碼來(lái)說(shuō)明如何控制好線程，從臨界資源訪問(wèn)與線程的執(zhí)行順序控制上引出互斥鎖、信號(hào)量的概念與使用方法。
5.1 線程的使用
5.1.1 為什么要使用多線程
在編寫代碼時(shí)，是否會(huì)遇到以下的場(chǎng)景會(huì)感覺(jué)到難以下手？
場(chǎng)景一：寫程序在拷貝文件時(shí)，需要一邊去拷貝文件，一邊去向用戶展示拷貝文件的進(jìn)度時(shí)，傳統(tǒng)做法是通過(guò)每次拷貝完成結(jié)束后去更新變量，再將變量轉(zhuǎn)化為進(jìn)度顯示出來(lái)。其中經(jīng)歷了拷貝->計(jì)算->顯示->拷貝->計(jì)算->顯示...直至拷貝結(jié)束。
這樣的程序架構(gòu)及其的低效，必須在單次拷貝結(jié)束后才可以刷新當(dāng)前拷貝進(jìn)度，若可以將進(jìn)程分支，一支單獨(dú)的解決拷貝問(wèn)題，一支單獨(dú)的解決計(jì)算刷新問(wèn)題，則程序效率會(huì)提升很多。
場(chǎng)景二：用阻塞方式去讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候。例如在進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸或者網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，我們往往需要雙向通信，當(dāng)設(shè)置讀取數(shù)據(jù)為阻塞模式時(shí)候，傳統(tǒng)的單線程只能等到數(shù)據(jù)接收來(lái)臨后才能沖過(guò)阻塞，再根據(jù)邏輯進(jìn)行發(fā)送。
當(dāng)我們要實(shí)現(xiàn)隨時(shí)發(fā)送、隨時(shí)接收時(shí)，無(wú)法滿足我們的業(yè)務(wù)需求。若可以將進(jìn)程分支，一支單純的處理接收數(shù)據(jù)邏輯，一支單純的解決發(fā)送數(shù)據(jù)邏輯，就可以完美的實(shí)現(xiàn)功能?；谝陨蠄?chǎng)景描述，多線程編程可以完美的解決上述問(wèn)題。
5.1.2 線程概念
所謂線程，就是操作系統(tǒng)所能調(diào)度的最小單位。普通的進(jìn)程，只有一個(gè)線程在執(zhí)行對(duì)應(yīng)的邏輯。我們可以通過(guò)多線程編程，使一個(gè)進(jìn)程可以去執(zhí)行多個(gè)不同的任務(wù)。
相比多進(jìn)程編程而言，線程享有共享資源，即在進(jìn)程中出現(xiàn)的全局變量，每個(gè)線程都可以去訪問(wèn)它，與進(jìn)程共享“4G”內(nèi)存空間，使得系統(tǒng)資源消耗減少。本章節(jié)來(lái)討論Linux下POSIX線程。
5.1.3 線程的標(biāo)識(shí)pthread_t
對(duì)于進(jìn)程而言，每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一對(duì)應(yīng)的PID號(hào)來(lái)表示該進(jìn)程，而對(duì)于線程而言，也有一個(gè)“類似于進(jìn)程的PID號(hào)”，名為tid，其本質(zhì)是一個(gè)pthread_t類型的變量。線程號(hào)與進(jìn)程號(hào)是表示線程和進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí)，但是對(duì)于線程號(hào)而言，其僅僅在其所屬的進(jìn)程上下文中才有意義。
在程序中，可以通過(guò)函數(shù)，pthread_self，來(lái)返回當(dāng)前線程的線程號(hào)，例程1是打印線程tid號(hào)。
獲取線程號(hào)
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
成功：返回線程號(hào)
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex1.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3
4 int main()
5 {
6 pthread_t tid = pthread_self();//獲取主線程的tid號(hào)
7 printf("tid = %lu\n",(unsigned long)tid);
8 return 0;
9 }
注意：
因采用POSIX線程接口，故在要編譯的時(shí)候包含pthread庫(kù)，使用gcc編譯應(yīng)gcc xxx.c -lpthread 方可編譯多線程程序。
編譯運(yùn)行結(jié)果：
5.1.4 線程的創(chuàng)建
創(chuàng)建線程
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);
成功：返回0
在傳統(tǒng)的程序中，一個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)線程，可以通過(guò)函數(shù)pthread_create來(lái)創(chuàng)建線程。
該函數(shù)第一個(gè)參數(shù)為pthread_t類型的線程號(hào)地址，當(dāng)函數(shù)執(zhí)行成功后會(huì)指向新建線程的線程號(hào)；
第二個(gè)參數(shù)表示了線程的屬性，一般傳入NULL表示默認(rèn)屬性；
第三個(gè)參數(shù)代表返回值為void*，形參為void*的函數(shù)指針，當(dāng)線程創(chuàng)建成功后，會(huì)自動(dòng)的執(zhí)行該回調(diào)函數(shù)；
第四個(gè)參數(shù)則表示為向線程處理函數(shù)傳入的參數(shù)，若不傳入，可用NULL填充，有關(guān)線程傳參后續(xù)小節(jié)會(huì)有詳細(xì)的說(shuō)明，接下來(lái)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單例程來(lái)使用該函數(shù)創(chuàng)建出一個(gè)線程。
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex2.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun(void *arg)
7 {
8 printf("pthread_New = %lu\n",(unsigned long)pthread_self());//打印線程的tid號(hào)
9 }
10
11 int main()
12 {
13
14 pthread_t tid1;
15 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun,NULL);//創(chuàng)建線程
16 if(ret != 0){
17 perror("pthread_create");
18 return -1;
19 }
20
21 /*tid_main 為通過(guò)pthread_self獲取的線程ID，tid_new通過(guò)執(zhí)行pthread_create成功后tid指向的空間*/
22 printf("tid_main = %lu tid_new = %lu \n",(unsigned long)pthread_self(),(unsigned long)tid1);
23
24 /*因線程執(zhí)行順序隨機(jī)，不加sleep可能導(dǎo)致主線程先執(zhí)行，導(dǎo)致進(jìn)程結(jié)束，無(wú)法執(zhí)行到子線程*/
25 sleep(1);
26
27 return 0;
28 }
29
運(yùn)行結(jié)果：
通過(guò)pthread_create確實(shí)可以創(chuàng)建出來(lái)線程，主線程中執(zhí)行pthread_create后的tid指向了線程號(hào)空間，與子線程通過(guò)函數(shù)pthread_self打印出來(lái)的線程號(hào)一致。
特別說(shuō)明的是，當(dāng)主線程伴隨進(jìn)程結(jié)束時(shí)，所創(chuàng)建出來(lái)的線程也會(huì)立即結(jié)束，不會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。并且創(chuàng)建出來(lái)的線程的執(zhí)行順序是隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的，并不能保證哪一個(gè)線程會(huì)先運(yùn)行?？梢詫⑸鲜龃a中sleep函數(shù)進(jìn)行注釋，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
去掉上述代碼25行后運(yùn)行結(jié)果：
上述運(yùn)行代碼3次，其中有2次被進(jìn)程結(jié)束，無(wú)法執(zhí)行到子線程的邏輯，最后一次則執(zhí)行到了子線程邏輯后結(jié)束的進(jìn)程。
因此可以說(shuō)明，線程的執(zhí)行順序不受控制，且整個(gè)進(jìn)程結(jié)束后所產(chǎn)生的線程也隨之被釋放，在后續(xù)內(nèi)容中將會(huì)描述如何控制線程執(zhí)行。
5.1.5 向線程傳入?yún)?shù)
pthread_create()的最后一個(gè)參數(shù)的為void類型的數(shù)據(jù)，表示可以向線程傳遞一個(gè)void數(shù)據(jù)類型的參數(shù)，線程的回調(diào)函數(shù)中可以獲取該參數(shù)，例程3舉例了如何向線程傳入變量地址與變量值。
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex3.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun1(void *arg)
7 {
8 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,*(int *)arg,arg);
9 }
10
11 void *fun2(void *arg)
12 {
13 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,(int)(long)arg,arg);
14 }
15
16 int main()
17 {
18
19 pthread_t tid1,tid2;
20 int a = 50;
21 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);//創(chuàng)建線程傳入變量a的地址
22 if(ret != 0){
23 perror("pthread_create");
24 return -1;
25 }
27 ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,(void *)(long)a);//創(chuàng)建線程傳入變量a的值
28 if(ret != 0){
29 perror("pthread_create");
30 return -1;
31 }
32 sleep(1);
33 printf("%s:a = %d Add = %p \n",__FUNCTION__,a,&a);
34 return 0;
35 }
36
運(yùn)行結(jié)果：
本例程展示了如何利用線程創(chuàng)建函數(shù)的第四個(gè)參數(shù)向線程傳入數(shù)據(jù)，舉例了如何以地址的方式傳入值、以變量的方式傳入值，例程代碼的21行，是將變量a先行取地址后，再次強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化為void后傳入線程，線程處理的回調(diào)函數(shù)中，先將萬(wàn)能指針void轉(zhuǎn)化為int*，再次取地址就可以獲得該地址變量的值，其本質(zhì)在于地址的傳遞。例程代碼的27行，直接將int類型的變量強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為void進(jìn)行傳遞（針對(duì)不同位數(shù)機(jī)器，指針對(duì)其字?jǐn)?shù)不同，需要int轉(zhuǎn)化為long在轉(zhuǎn)指針，否則可能會(huì)發(fā)生警告），在線程處理回調(diào)函數(shù)中，直接將void數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為int類型即可，本質(zhì)上是在傳遞變量a的值。
上述兩種方法均可得到所要的值，但是要注意其本質(zhì)，一個(gè)為地址傳遞，一個(gè)為值的傳遞。當(dāng)變量發(fā)生改變時(shí)候，傳遞地址后，該地址所對(duì)應(yīng)的變量也會(huì)發(fā)生改變，但傳入變量值的時(shí)候，即使地址指針?biāo)傅淖兞堪l(fā)生變化，但傳入的為變量值，不會(huì)受到指針的指向的影響，實(shí)際項(xiàng)目中切記兩者之間的區(qū)別。具體說(shuō)明見(jiàn)例程4.
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex4.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun1(void *arg)
7 {
8 while(1){
9
10 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,*(int *)arg,arg);
11 sleep(1);
12 }
13 }
14
15 void *fun2(void *arg)
16 {
17 while(1){
18
19 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,(int)(long)arg,arg);
20 sleep(1);
21 }
22 }
23
24 int main()
25 {
26
27 pthread_t tid1,tid2;
28 int a = 50;
29 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);
30 if(ret != 0){
31 perror("pthread_create");
32 return -1;
33 }
34 sleep(1);
35 ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,(void *)(long)a);
36 if(ret != 0){
37 perror("pthread_create");
38 return -1;
39 }
40 while(1){
41 a++;
42 sleep(1);
43 printf("%s:a = %d Add = %p \n",__FUNCTION__,a,&a);
44 }
45 return 0;
46 }
47
運(yùn)行結(jié)果：
上述例程講述了如何向線程傳遞一個(gè)參數(shù)，在處理實(shí)際項(xiàng)目中，往往會(huì)遇到傳遞多個(gè)參數(shù)的問(wèn)題，我們可以通過(guò)結(jié)構(gòu)體來(lái)進(jìn)行傳遞，解決此問(wèn)題。
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex5.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <string.h>
5 #include <errno.h>
6
7 struct Stu{
8 int Id;
9 char Name[32];
10 float Mark;
11 };
12
13 void *fun1(void *arg)
14 {
15 struct Stu *tmp = (struct Stu *)arg;
16 printf("%s:Id = %d Name = %s Mark = %.2f\n",__FUNCTION__,tmp->Id,tmp->Name,tmp->Mark);
17
18 }
19
20 int main()
21 {
22
23 pthread_t tid1,tid2;
24 struct Stu stu;
25 stu.Id = 10000;
26 strcpy(stu.Name,"ZhangSan");
27 stu.Mark = 94.6;
28
29 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&stu);
30 if(ret != 0){
31 perror("pthread_create");
32 return -1;
33 }
34 printf("%s:Id = %d Name = %s Mark = %.2f\n",__FUNCTION__,stu.Id,stu.Name,stu.Mark);
35 sleep(1);
36 return 0;
37 }
38
運(yùn)行結(jié)果：
5.1.6 線程的退出與回收
線程的退出情況有三種：第一種是進(jìn)程結(jié)束，進(jìn)程中所有的線程也會(huì)隨之結(jié)束。第二種是通過(guò)函數(shù)pthread_exit來(lái)主動(dòng)的退出線程。第三種通過(guò)函數(shù)pthread_cancel被其他線程被動(dòng)結(jié)束。
當(dāng)線程結(jié)束后，主線程可以通過(guò)函數(shù)pthread_join/pthread_tryjoin_np來(lái)回收線程的資源，并且獲得線程結(jié)束后需要返回的數(shù)據(jù)。
線程退出
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
該函數(shù)為線程退出函數(shù)，在退出時(shí)候可以傳遞一個(gè)void*類型的數(shù)據(jù)帶給主線程，若選擇不傳出數(shù)據(jù)，可將參數(shù)填充為NULL。
線程資源回收（阻塞）
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
成功：返回0
該函數(shù)為線程回收函數(shù)，默認(rèn)狀態(tài)為阻塞狀態(tài)，直到成功回收線程后被沖開(kāi)阻塞。第一個(gè)參數(shù)為要回收線程的tid號(hào)，第二個(gè)參數(shù)為線程回收后接受線程傳出的數(shù)據(jù)。
線程資源回收（非阻塞）
#define _GNU_SOURCE
#include <pthread.h>
int pthread_tryjoin_np(pthread_t thread, void **retval);
成功：返回0
該函數(shù)為非阻塞模式回收函數(shù)，通過(guò)返回值判斷是否回收掉線程，成功回收則返回0，其余參數(shù)與pthread_join一致。
該函數(shù)傳入一個(gè)tid號(hào)，會(huì)強(qiáng)制退出該tid所指向的線程，若成功執(zhí)行會(huì)返回0：
線程退出（指定線程號(hào)）
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
成功：返回0
上述描述簡(jiǎn)單的介紹了有關(guān)線程回收的API，下面通過(guò)例程來(lái)說(shuō)明上述API。
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex6.c）
1 #include <pthread.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5
6 void *fun1(void *arg)
7 {
8 static int tmp = 0;//必須要static修飾，否則pthread_join無(wú)法獲取到正確值
9 //int tmp = 0;
10 tmp = *(int *)arg;
11 tmp+=100;
12 printf("%s:Addr = %p tmp = %d\n",__FUNCTION__,&tmp,tmp);
13 pthread_exit((void *)&tmp);//將變量tmp取地址轉(zhuǎn)化為void*類型傳出
14 }
15
16
17 int main()
18 {
19
20 pthread_t tid1;
21 int a = 50;
22 void *Tmp = NULL;//因pthread_join第二個(gè)參數(shù)為void**類型
23 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);
24 if(ret != 0){
25 perror("pthread_create");
26 return -1;
27 }
28 pthread_join(tid1,&Tmp);
29 printf("%s:Addr = %p Val = %d\n",__FUNCTION__,Tmp,*(int *)Tmp);
30 return 0;
31 }
32
運(yùn)行結(jié)果：
上述例程先通過(guò)23行將變量以地址的形式傳入線程，在線程中做出了自加100的操作，當(dāng)線程退出的時(shí)候通過(guò)線程傳參，用void*類型的數(shù)據(jù)通過(guò)pthread_join接受。
此例程去掉了之前加入的sleep函數(shù)，原因是pthread_join函數(shù)具備阻塞的特性，直至成功收回掉線程后才會(huì)沖破阻塞，因此不需要靠考慮主線程會(huì)執(zhí)行到30行結(jié)束進(jìn)程的情況。
特別要說(shuō)明的是例程第8行，當(dāng)變量從線程傳出的時(shí)候，需要加static修飾，對(duì)生命周期做出延續(xù)，否則無(wú)法傳出正確的變量值。
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex7.c）
1 #define _GNU_SOURCE
2 #include <pthread.h>
3 #include <stdio.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <errno.h>
6
7 void *fun(void *arg)
8 {
9 printf("Pthread:%d Come !\n",(int )(long)arg+1);
10 pthread_exit(arg);
11 }
12
13
14 int main()
15 {
16 int ret,i,flag = 0;
17 void *Tmp = NULL;
18 pthread_t tid[3];
19 for(i = 0;i < 3;i++){
20 ret = pthread_create(&tid[i],NULL,fun,(void *)(long)i);
21 if(ret != 0){
22 perror("pthread_create");
23 return -1;
24 }
25 }
26 while(1){//通過(guò)非阻塞方式收回線程，每次成功回收一個(gè)線程變量自增，直至3個(gè)線程全數(shù)回收
27 for(i = 0;i <3;i++){
28 if(pthread_tryjoin_np(tid[i],&Tmp) == 0){
29 printf("Pthread : %d exit !\n",(int )(long )Tmp+1);
30 flag++;
31 }
32 }
33 if(flag >= 3) break;
34 }
35 return 0;
36 }
37
運(yùn)行結(jié)果：
例程7展示了如何使用非阻塞方式來(lái)回收線程，此外也展示了多個(gè)線程可以指向同一個(gè)回調(diào)函數(shù)的情況。例程6通過(guò)阻塞方式回收線程幾乎規(guī)定了線程回收的順序，若最先回收的線程未退出，則一直會(huì)被阻塞，導(dǎo)致后續(xù)先退出的線程無(wú)法及時(shí)的回收。
通過(guò)函數(shù)pthread_tryjoin_np，使用非阻塞回收，線程可以根據(jù)退出先后順序自由的進(jìn)行資源的回收。
測(cè)試?yán)?：（Phtread_txex8.c）
1 #define _GNU_SOURCE
2 #include <pthread.h>
3 #include <stdio.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <errno.h>
6
7 void *fun1(void *arg)
8 {
9 printf("Pthread:1 come!\n");
10 while(1){
11 sleep(1);
12 }
13 }
14
15 void *fun2(void *arg)
16 {
17 printf("Pthread:2 come!\n");
18 pthread_cancel((pthread_t )(long)arg);//殺死線程1，使之強(qiáng)制退出
19 pthread_exit(NULL);
20 }
21
22 int main()
23 {
24 int ret,i,flag = 0;
25 void *Tmp = NULL;
26 pthread_t tid[2];
27 ret = pthread_create(&tid[0],NULL,fun1,NULL);
28 if(ret != 0){
29 perror("pthread_create");
30 return -1;
31 }
32 sleep(1);
33 ret = pthread_create(&tid[1],NULL,fun2,(void *)tid[0]);//傳輸線程1的線程號(hào)
34 if(ret != 0){
35 perror("pthread_create");
36 return -1;
37 }
38 while(1){//通過(guò)非阻塞方式收回線程，每次成功回收一個(gè)線程變量自增，直至2個(gè)線程全數(shù)回收
39 for(i = 0;i <2;i++){
40 if(pthread_tryjoin_np(tid[i],NULL) == 0){
41 printf("Pthread : %d exit !\n",i+1);
42 flag++;
43 }
44 }
45 if(flag >= 2) break;
46 }
47 return 0;
48 }
49
運(yùn)行結(jié)果：
例程8展示了如何利用pthread_cancel函數(shù)主動(dòng)的將某個(gè)線程結(jié)束。27行與33行創(chuàng)建了線程，將第一個(gè)線程的線程號(hào)傳參形式傳入了第二個(gè)線程。
第一個(gè)的線程執(zhí)行死循環(huán)睡眠邏輯，理論上除非進(jìn)程結(jié)束，其永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束，但在第二個(gè)線程中調(diào)用了pthread_cancel函數(shù)，相當(dāng)于向該線程發(fā)送一個(gè)退出的指令，導(dǎo)致線程被退出，最終資源被非阻塞回收掉。
此例程要注意第32行的sleep函數(shù)，一定要確保線程1先執(zhí)行，因線程是無(wú)序執(zhí)行，故加入該睡眠函數(shù)控制順序，在本章后續(xù)，會(huì)講解通過(guò)加鎖、信號(hào)量等手段來(lái)合理的控制線程的臨界資源訪問(wèn)與線程執(zhí)行順序控制。
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