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多线程编程(c多线程编程)

  多线程编程(c++多线程编程)
  多线程编程可以说每个程序员的基本功,同时也是开发中的难点之一,本文以Linux C为例,讲述了线程的创建及常用的几种线程同步的方式,最后对多线程编程进行了总结与思考并给出代码示例。一、创建线程
  多线程编程的第一步,创建线程。创建线程其实是增加了一个控制流程,使得同一进程中存在多个控制流程并发或者并行执行。
  线程创建函数,其他函数这里不再列出,可以参考pthread.h。#include<pthread.h>intpthread_create(pthread_t*restrictthread,/*线程id*/  	constpthread_attr_t*restrictattr,/*线程属性,默认可置为NULL,表示线程属性取缺省值*/  	void*(*start_routine)(void*),/*线程入口函数*/  	void*restrictarg/*线程入口函数的参数*/  	);
  代码示例:#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<pthread.h>char*thread_func1(void*arg){pid_tpid=getpid();pthread_ttid=pthread_self();printf("%spid:%u,tid:%u(0x%x)\n",(char*)arg,(unsignedint)pid,(unsignedint)tid,(unsignedint)tid);char*msg="thread_func1";returnmsg;  }void*thread_func2(void*arg){pid_tpid=getpid();pthread_ttid=pthread_self();printf("%spid:%u,tid:%u(0x%x)\n",(char*)arg,(unsignedint)pid,(unsignedint)tid,(unsignedint)tid);char*msg="thread_func2";while(1){printf("%srunning\n",msg);  sleep(1);  }returnNULL;  }intmain(){pthread_ttid1,tid2;if(pthread_create(&tid1,NULL,(void*)thread_func1,"newthread:")!=0){printf("pthread_createerror.");exit(EXIT_FAILURE);  }if(pthread_create(&tid2,NULL,(void*)thread_func2,"newthread:")!=0){printf("pthread_createerror.");exit(EXIT_FAILURE);  }  pthread_detach(tid2);char*rev=NULL;  pthread_join(tid1,(void*)&rev);printf("%sreturn.\n",rev);  pthread_cancel(tid2);printf("mainthreadend.\n");return0;  }二、线程同步
  有时候我们需要多个线程相互协作来执行,这时需要线程间同步。线程间同步的常用方法有:
  互斥
  信号量
  条件变量
  我们先看一个未进行线程同步的示例:#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<pthread.h>#defineLEN100000intnum=0;void*thread_func(void*arg){for(inti=0;i<LEN;++i){  num+=1;  }  returnNULL;  }intmain(){pthread_ttid1,tid2;  pthread_create(&tid1,NULL,(void*)thread_func,NULL);  pthread_create(&tid2,NULL,(void*)thread_func,NULL);char*rev=NULL;  pthread_join(tid1,(void*)&rev);  pthread_join(tid2,(void*)&rev);printf("correctresult=%d,wrongresult=%d.\n",2*LEN,num);return0;  }
  运行结果:correct result=200000, wrong result=106860.。
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  【1】互斥
  这个是最容易理解的,在访问临界资源时,通过互斥,限制同一时刻最多只能有一个线程可以获取临界资源。
  其实互斥的逻辑就是:如果访问临界资源发现没有其他线程上锁,就上锁,获取临界资源,期间如果其他线程执行到互斥锁发现已锁住,则线程挂起等待解锁,当前线程访问完临界资源后,解锁并唤醒其他被该互斥锁挂起的线程,等待再次被调度执行。
  "挂起等待"和"唤醒等待线程"的操作如何实现?每个Mutex有一个等待队列,一个线程要在Mutex上挂起等待,首先在把自己加入等待队列中,然后置线程状态为睡眠,然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程,只需从等待队列中取出一项,把它的状态从睡眠改为就绪,加入就绪队列,那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。
  主要函数如下:#include<pthread.h>intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*restrictmutex,  constpthread_mutexattr_t*restrictattr);/*初始化互斥量*/intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);/*销毁互斥量*/intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);intpthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t*mutex);intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);
  用互斥解决上面计算结果错误的问题,示例如下:#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<pthread.h>#defineLEN100000intnum=0;void*thread_func(void*arg){pthread_mutex_t*p_mutex=(pthread_mutex_t*)arg;for(inti=0;i<LEN;++i){  pthread_mutex_lock(p_mutex);  num+=1;  pthread_mutex_unlock(p_mutex);  }  returnNULL;  }intmain(){pthread_mutex_tm_mutex;  pthread_mutex_init(&m_mutex,NULL);pthread_ttid1,tid2;  pthread_create(&tid1,NULL,(void*)thread_func,(void*)&m_mutex);  pthread_create(&tid2,NULL,(void*)thread_func,(void*)&m_mutex);    pthread_join(tid1,NULL);  pthread_join(tid2,NULL);    pthread_mutex_destroy(&m_mutex);printf("correctresult=%d,result=%d.\n",2*LEN,num);return0;  }
  运行结果:correct result=200000, result=200000.
  如果在互斥中还嵌套有其他互斥代码,需要注意死锁问题。
  产生死锁的两种情况:
  一种情况是:如果同一个线程先后两次调用lock,在第二次调用时,由于锁已经被占用,该线程会挂起等待别的线程释放锁,然而锁正是被自己占用着的,该线程又被挂起而没有机会释放锁,因此就永远处于挂起等待状态了,产生死锁。
  另一种典型的死锁情形是:线程A获得了锁1,线程B获得了锁2,这时线程A调用lock试图获得锁2,结果是需要挂起等待线程B释放锁2,而这时线程B也调用lock试图获得锁1,结果是需要挂起等待线程A释放锁1,于是线程A和B都永远处于挂起状态了。
  如何避免死锁:
  不用互斥锁(这个很多时候很难办到)
  写程序时应该尽量避免同时获得多个锁。
  如果一定有必要这么做,则有一个原则:如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序(常见的是按Mutex变量的地址顺序)获得锁,则不会出现死锁。 (比如一个程序中用到锁1、锁2、锁3,它们所对应的Mutex变量的地址是锁1<锁2<锁3,那么所有线程在需要同时获得2个或3个锁时都应该按锁1、锁2、锁3的顺序获得。如果要为所有的锁确定一个先后顺序比较困难,则应该尽量使用pthread_mutex_trylock调用代替pthread_mutex_lock调用,以避免死锁。)【2】条件变量
  条件变量概括起来就是:一个线程需要等某个条件成立(而这个条件是由其他线程决定的)才能继续往下执行,现在这个条件不成立,线程就阻塞等待,等到其他线程在执行过程中使这个条件成立了,就唤醒线程继续执行。
  相关函数如下:#include<pthread.h>intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);intpthread_cond_init(pthread_cond_t*restrictcond,constpthread_condattr_t*restrictattr);intpthread_cond_timedwait(pthread_cond_t*restrictcond,pthread_mutex_t*restrictmutex,conststructtimespec*restrictabstime);intpthread_cond_wait(pthread_cond_t*restrictcond,pthread_mutex_t*restrictmutex);intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);
  举个最容易理解条件变量的例子,"生产者-消费者"模式中,生产者线程向队列中发送数据,消费者线程从队列中取数据,当消费者线程的处理速度大于生产者线程时,会产生队列中没有数据了,一种处理办法是等待一段时间再次"轮询",但这种处理方式不太好,你不知道应该等多久,这时候条件变量可以很好的解决这个问题。下面是代码:#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<errno.h>#include<string.h>#defineLIMIT1000structdata{  intn;structdata*next;};pthread_cond_tcondv=PTHREAD_COND_INITIALIZER;pthread_mutex_tmlock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  structdata*phead=NULL;voidproducer(void*arg){printf("producerthreadrunning.\n");intcount=0;for(;;){intn=rand()%100;structdata*nd=(structdata*)malloc(sizeof(structdata));  nd->n=n;    pthread_mutex_lock(&mlock);structdata*tmp=phead;  phead=nd;  nd->next=tmp;  pthread_mutex_unlock(&mlock);  pthread_cond_signal(&condv);    count+=n;if(count>LIMIT){break;  }  sleep(rand()%5);  }printf("producercount=%d\n",count);  }voidconsumer(void*arg){printf("consumerthreadrunning.\n");intcount=0;for(;;){  pthread_mutex_lock(&mlock);if(NULL==phead){  pthread_cond_wait(&condv,&mlock);  }else{while(phead!=NULL){  count+=phead->n;structdata*tmp=phead;  phead=phead->next;free(tmp);  }  }  pthread_mutex_unlock(&mlock);if(count>LIMIT)break;  }printf("consumercount=%d\n",count);  }intmain(){pthread_ttid1,tid2;  pthread_create(&tid1,NULL,(void*)producer,NULL);  pthread_create(&tid2,NULL,(void*)consumer,NULL);    pthread_join(tid1,NULL);  pthread_join(tid2,NULL);return0;  }
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  条件变量中的执行逻辑:
  关键是理解执行到int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex) 这里时发生了什么,其他的都比较容易理解。执行这条函数前需要先获取互斥锁,判断条件是否满足,如果满足执行条件,则继续向下执行后释放锁;如果判断不满足执行条件,则释放锁,线程阻塞在这里,一直等到其他线程通知执行条件满足,唤醒线程,再次加锁,向下执行后释放锁。(简而言之就是:释放锁-->阻塞等待-->唤醒后加锁返回)
  上面的例子可能有些繁琐,下面的这个代码示例则更为简洁:#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<errno.h>#include<string.h>#defineNUM3pthread_cond_tcondv=PTHREAD_COND_INITIALIZER;pthread_mutex_tmlock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;    voidproducer(void*arg){intn=NUM;while(n--){  sleep(1);  pthread_cond_signal(&condv);printf("producerthreadsendnotifysignal.%d\t",NUM-n);  }  }voidconsumer(void*arg){intn=0;while(1){  pthread_cond_wait(&condv,&mlock);printf("recvproducerthreadnotifysignal.%d\n",++n);if(NUM==n){break;  }  }  }intmain(){pthread_ttid1,tid2;  pthread_create(&tid1,NULL,(void*)producer,NULL);  pthread_create(&tid2,NULL,(void*)consumer,NULL);    pthread_join(tid1,NULL);  pthread_join(tid2,NULL);return0;  }
  运行结果:producerthreadsendnotifysignal.1recvproducerthreadnotifysignal.1producerthreadsendnotifysignal.2recvproducerthreadnotifysignal.2producerthreadsendnotifysignal.3recvproducerthreadnotifysignal.3【3】信号量
  信号量适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源。用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待时,该计数值减一;当线程完成一次对semaphore对象的释放时,计数值加一。当计数值为0时,线程挂起等待,直到计数值超过0.
  主要函数如下:#include<semaphore.h>intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);intsem_wait(sem_t*sem);intsem_trywait(sem_t*sem);intsem_post(sem_t*sem);intsem_destroy(sem_t*sem);
  代码示例如下:#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<errno.h>#include<string.h>#include<semaphore.h>#defineNUM5intqueue[NUM];sem_tpsem,csem;    voidproducer(void*arg){intpos=0;intnum,count=0;for(inti=0;i<12;++i){  num=rand()%100;  count+=num;  sem_wait(&psem);queue[pos]=num;  sem_post(&csem);printf("producer:%d\n",num);  pos=(pos+1)%NUM;  sleep(rand()%2);  }printf("producercount=%d\n",count);  }voidconsumer(void*arg){intpos=0;intnum,count=0;for(inti=0;i<12;++i){  sem_wait(&csem);  num=queue[pos];  sem_post(&psem);printf("consumer:%d\n",num);  count+=num;  pos=(pos+1)%NUM;  sleep(rand()%3);  }printf("consumercount=%d\n",count);  }    intmain(){  sem_init(&psem,0,NUM);  sem_init(&csem,0,0);pthread_ttid[2];  pthread_create(&tid[0],NULL,(void*)producer,NULL);  pthread_create(&tid[1],NULL,(void*)consumer,NULL);  pthread_join(tid[0],NULL);  pthread_join(tid[1],NULL);  sem_destroy(&psem);  sem_destroy(&csem);return0;  }
  信号量的执行逻辑:
  当需要获取共享资源时,先检查信号量,如果值大于0,则值减1,访问共享资源,访问结束后,值加1,如果发现有被该信号量挂起的线程,则唤醒其中一个线程;如果检查到信号量为0,则挂起等待。三、多线程编程总结与思考
  最后,我们对多线程编程进行总结与思考。
  第一点就是在进行多线程编程时一定注意考虑同步的问题,因为多数情况下我们创建多线程的目的是让他们协同工作,如果不进行同步,可能会出现问题。
  第二点,死锁的问题。在多个线程访问多个临界资源时,处理不当会发生死锁。如果遇到编译通过,运行时卡住了,有可能是发生死锁了,可以先思考一下是那些线程会访问多个临界资源,这样查找问题会快一些。
  第三点,临界资源的处理,多线程出现问题,很大原因是多个线程访问临界资源时的问题,一种处理方式是将对临界资源的访问与处理全部放到一个线程中,用这个线程服务其他线程的请求,这样只有一个线程访问临界资源就会解决很多问题。
  第四点,线程池,在处理大量短任务时,我们可以先创建好一个线程池,线程池中的线程不断从任务队列中取任务执行,这样就不用大量创建线程与销毁线程,这里不再细述。

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