linux服務器功能協議，linux服務器開發二(系統編程)--線程相關

線程概念

什么是線程

• LWP：Light Weight Process，輕量級的進程，本質仍是進程（在Linux環境下）。
• 進程：獨立地址空間，擁有PCB。
• 線程：也有PCB，但沒有獨立的地址空間（共享）。linux服務器功能協議、
• 進程與線程的區別：在于是否共享地址空間。
  • 獨居（進程）。
  • 合租（線程）。docker 開發。
• Linux下：
  • 線程：最小的執行單位。
  • 進程：最小分配資源單位，可看成是一個線程的進程。

• 安裝man文檔

  sudo apt-get install glibc-doc
  sudo apt-get install manpages-posix-dev

Linux內核線程實現原理

• 類Unix系統中，早期是沒有“線程”概念的，80年代才引入，借助進程機制實現出了線程的概念。php多線程編程，因此在這類系統中，進程和線程關系密切。
• 1、輕量級進程（light-weight process），也有PCB，創建線程使用的底層函數和進程一樣，都是clone。
• 2、從內核里看進程和線程是一樣的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向內存資源的三級頁表是相同的。linux 線程？
• 3、進程可以蛻變成線程。
• 4、線程可看做寄存器和棧的集合。
• 5、在Linux下，線程是最小的執行單位；進程是最小的分配資源單位。docker部署。
• 察看LWP號：ps -Lf pid，查看指定線程的LWP號。

• 三級映射：進程PCB --> 頁目錄（可看成數組，首地址位于PCB中） --> 頁表 --> 物理頁面 --> 內存單元
  • 參考《Linux內核源代碼情景分析》 -- 毛德操

• 對于進程來說，相同的地址（同一個虛擬址）在不同的進程中，反復使用而不沖突。原因是他們雖虛擬址一樣，但頁目錄、頁表、物理頁面各不相同。linux服務器編程。相同的虛擬址，映射到不同的物理頁面內存單元，最終訪問不同的物理頁面。
• 但線程不同！兩個線程具有各自獨立的PCB，但共享同一個頁目錄，也就共享同一個頁表和物理頁面。所以兩個PCB共享一個地址空間。
• 實際上，無論是創建的fork，還是創建線程的pthread_create，底層實現都是調用同一個內核函數clone。
• 如果復制對方的地址空間，那么就產生一個“進程”；如果共享對方的地址空間，就產生一個“線程”。
• 因此：Linux內核是不區分進程和線程的。只有用戶層面上進行區分。所以，線程所有操作函數pthread_*是庫函數，而非系統調用。

線程共享資源

• 1、文件描述符表
• 2、每種信號的處理方式。
• 3、當前工作目錄。
• 4、用戶ID和組ID。
• 5、內存地址空間（.text/.data/.bss/heap/共享庫）

線程非共享資源

• 1、線程ID。
• 2、處理器現場和棧指針。
• 3、獨立的棧空間（用戶空間棧）。
• 4、errno變量.
• 5、信號屏蔽字。
• 6、調度優先級。

線程優點、缺點

• 優點
  • 1、提高程序并發性。
  • 2、開銷小。
  • 3、數據通信、共享數據方便。
• 缺點
  • 1、庫函數，不穩定。
  • 2、調試、編寫困難、gdb不支持。
  • 3、對信號支持不好。
• 優點相對突出，缺點均不是硬傷。Linux下由于實現方法導致進程、線程差別不是很大。

線程控制原語

pthread_self函數

• 獲取線程ID。其作用對應進程中getpid()函數。
• pthread_t pthread_self(void);?- 返回值：成功：0；失敗：無！
• 線程ID：pthread_t類型，本質：在Linux下為無符號整數（%lu），其他系統中可能是結構體實現。
• 線程ID是進程內部，識別標志。（兩個進程間，線程ID允許相同）。
• 注意：不應使用全局變量pthread_t tid，在子線程中通過pthread_create傳出參數來獲取線程ID，而應使用pthread_self。

pthread_create函數

• 創建一個新線程。其作用，對應進程中fork()函數。
• int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
• 返回值：成功：0；失敗：錯誤號。Linux環境下，所有線程特點，失敗均直接返回錯誤號。
• 參數
  • pthread_t：當前Linux中可理解為：typedef unsigned long int pthread_t;
  • 參數1：傳出參數，保存系統為我們分配好的線程ID。
  • 參數2：通常傳NULL，表示使用線程默認屬性。若想使用具體屬性也可以修改該參數。
  • 參數3：函數指針，指向線程主函數（線程體），該函數運行結束，則線程結束。
  • 參數4：線程主函數執行期間所使用的參數。
• 在一個線程中調用pthread_create()創建新的線程后，當前線程從pthread_create()返回繼續往下執行，而新的線程所執行的代碼由我們傳給pthread_create的函數指針start_routine決定。start_routine函數接收一個參數，是通過pthread_create的arg參數傳遞給它的，該參數的類型為void *，這個指針按什么類型解釋由調用者自己定義。start_routine返回時，這個線程就退出了，其它線程可以調用pthread_join得到start_routine的返回值，類似于父進程調用wait(2)得到子進程的退出狀態，稍后詳細介紹pthread_join。
• pthread_create成功返回后，新創建的線程ID被填寫到thread參數指向的內存單元。我們知道進程ID的類型是pid_t，每個進程的ID在整個系統中是唯一的，調用getpid(2)可以獲得當前進程ID，是一個正整數值。線程ID的類型是thread_t，它只是當前進程中保證是唯一的，不同的系統中thread_t這個類型有不同的實現，這可能是一個整數值，也可能是一個結構體，也可能是一個地址，所以不能簡單地當成整數用printf打印，調用pthread_self(3)可以獲得當前線程的ID。
• attr參數表示線程屬性，本節不深入討論線程屬性，所有代碼例子都傳NULL給attr參數，表示線程屬性取缺省值，感興趣的讀者可以參考APUE。
• 【練習】：創建一個新線程，打印線程ID。注意：鏈接線程庫-lpthread
  • 由于pthread_create的錯誤碼不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印錯誤信息，可以先用strerror(3)把錯誤碼轉換成錯誤信息再打印。如果任意一個線程調用了exit或_exit，則整個進程的所有線程都會終止，由于從main函數return也相當于調用exit，為了防止新創建的線程還沒有得到執行就終止，我們在main函數return之前延時1秒，這只是一種權宜之計，即使主線程等待1秒，內核也不一定會調度新創建的線程執行，下一節我們會看到更好的方法。

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>                                                                                   void *thread_func(void *arg)
  {printf("In thread: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());return NULL;
  }int main()
  {pthread_t tid;int ret;printf("In main1: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);if(ret != 0){fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));exit(1);} sleep(1);printf("In main2: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());return 0;
  }

• 【練習】：循環創建多個線程，每個線程打印自己是第幾個被創建的線程。（類似于進程循環創建子進程）
• 拓展思考：將pthread_create函數參數4修改為(void *)&i，將線程主函數內改為i = *((int *)arg)是否可以？不可以。

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>void *thread_func(void *arg)
  {int i = (int)arg;sleep(i);printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u\n", i+1, pthread_self(), getpid());return NULL;
  }int main()
  {pthread_t tid;int ret, i;for (i = 0; i<5; i++){ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i);if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));exit(1);        }   }   sleep(i);return 0;
  }

• 線程與共享
  • 線程間共享全局變量
  • 【牢記】：線程默認共享數據段、代碼段等地址空間，常用的是全局變量。而進程不共享全局變量，只能借助mmap。

  • 【練習】：設計程序，驗證線程之間共享全局數據。

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>int var = 100;void *tfn(void *arg)
    {var = 200;printf("thread\n");return NULL;
    }int main(void)
    {printf("At first var = %d\n", var);pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);sleep(1);printf("After pthread_create, var = %d\n", var);                                                  return 0;
    }

pthread_exit函數

• 將單個線程退出。
• void pthread_exit(void *retval);
  • 參數：retval表示線程退出狀態，通常傳NULL。
• 思考：使用exit將指定線程退出，可以嗎？
• 結論：線程中，禁止使用exit函數，會導致進程內所有線程全部退出。
• 在不添加sleep控制輸出順序的情況下，pthread_create在循環中，幾乎瞬間創建5個線程，但只有第1個線程有機會輸出（或者第2個也有，也可能沒有，取決于內核調度），如果第3個線程執行了exit，將整個進程退出了，所以全部線程退出了。
• 所以，多線程環境中，應盡量少用，或者不使用exit函數，取而代之使用pthread_exit函數，將單個線程退出。任何線程里exit導致進程退出，其他線程未工作結束，主控線程退出時不能return或exit。
• 另注意：pthread_exit或者return返回的指針所指向的內存單元必須是全局的或者是用malloc分配的，不能在線程函數的棧上分配，因為當其它線程得到這個返回指針時線程函數已經退出了。
• 【練習】：編寫多線程程序，總結exit、return、pthread_exit各自退出效果。
  • return：返回到調用者那里去。
  • pthread_exit：將調用該函數的線程退出。
  • exit：將進程退出。

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>void *thread_func(void *arg)
  {int i = (int)arg;printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u\n", i+1, pthread_self(), getpid());return NULL;
  }int main()
  {pthread_t tid;int ret, i;for (i = 0; i<5; i++){ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i);if(ret != 0){fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));exit(1);}}                                                                                                 pthread_exit(NULL);
  }

pthread_join函數

• 阻塞等待線程退出，獲取線程退出狀態。其作用，對應進程中waitpid()函數。
• int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);?成功：0；失敗：錯誤號。
• 參數：thread：線程ID（【注意】不是指針）； retval：存儲線程結束狀態。
• 對比記憶：
  • 進程中：main返回值、exit參數-->int；等待子進程結束, wait函數參數-->int *
  • 線程中：線程主函數返回值、pthread_exit-->void *；等待線程結束 pthread_join函數參數-->void **

• 【練習】：參數retval非空用法。

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <pthread.h>typedef struct{int a;int b;
  } exit_t;void *tfn(void *arg)                                                                                  
  {exit_t * ret;ret = malloc(sizeof(exit_t));ret->a = 100;ret->b = 300;pthread_exit((void *)ret);
  }int main(void)
  {pthread_t tid;exit_t * retval;pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);//調用pthread_join可以獲取線程的退出狀態pthread_join(tid, (void **)&retval);printf("a = %d, b = %d\n", retval->a, retval->b);free(retval);return 0;
  }

• 調用該函數的線程將掛起等待，直到ID為thread的線程終止。thread線程以不同的方法終止，通過pthread_join得到的終止狀態是不同的，總結如下：
  • 1、如果不thread線程通過return返回，retval所指向的單元里存放的是thread線程函數的返回值。
  • 2、如果thread線程被別的線程調用pthread_cancel異常終止掉，retval所指向的單元里存放的是常數PTHREAD_CALCELED。
  • 3、如果thread線程是自己調用pthread_exit終止的，retval所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數。
  • 4、如果對thread線程的終止狀態不感興趣，可以傳NULL給retval參數。

• 【練習】：使用pthread_join函數將循環創建的多個子線程回收。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>int var = 100;void * tfn(void * arg)
  {int i;i = (int)arg;sleep(i);if(i == 1){ var = 333;printf("var = %d\n", var);return var;} else if (i == 3){   var = 777;printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n  var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);pthread_exit((void *)var);} else {printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n  var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);pthread_exit((void *)var);}   return NULL;
  }int main(void)
  {pthread_t tid[5];int i;int *ret[5];for(i = 0; i < 5; i++)pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);for(i = 0; i < 5; i++){pthread_join(tid[i], (void **)&ret[i]);printf("-------%d 's ret = %d\n'", i, (int)ret[i]);}printf("I'm main pthread tid = %lu\t var = %d\n", pthread_self(), var);sleep(i);return 0;
  }

pthread_detach函數

• 實現線程分隔
• int pthread_detach(pthread_t thread);，成功：0；失敗：錯誤號。
• 線程分離狀態：指定該狀態，線程主動與主控線程斷開關系。線程結束后，其退出狀態不由其他線程獲取，而直接自己自動釋放。網絡、多線程服務器常用。
• 進程若有該機制，將不會產生僵尸進程。僵尸進程的產生主要由于進程死后，大部分資源被釋放，一點殘留資源存于系統中，導致內核認為該進程仍存在。
• 也可以使用pthread_create函數參2(線程屬性)來設置線程分離。
• 【練習】：使用pthread_detach函數實現線程分離。

• 一般情況下，線程終止后，其終止狀態一直保留到其它線程調用pthread_join獲取它的狀態為止。但是線程也可以被置為detach狀態，這樣的線程一旦終止就立刻回收它占用的所有資源，而不保留終止狀態。不能對一個已經處于detach狀態的線程調用pthread_join，這樣的調用將返回EINVAL錯誤。也就是說，如果已經對一個線程調用了pthread_detach就不能再調用pthread_join了。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <string.h>
  #include <pthread.h>void *tfn(void *arg)
  {int n = 3;while(n--){printf("thread count %d\n", n); sleep(1);}   return (void *)1;
  }int main(void)
  {pthread_t tid;void *tret;int err;#if 0                                                                                                 //通過線程屬性來設置游離態pthread_attr_t attr;pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
  #elsepthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);//讓線程分離-----自動退出，無系統殘留資源pthread_detach(tid);
  #endifwhile(1){err = pthread_join(tid, &tret);printf("------------err = %d\n", err);if(err != 0)fprintf(stderr, "thread_join error : %s\n", strerror(err));elsefprintf(stderr, "thread exit code %d\n", (int)tret);}   
  }

pthread_cancel函數

• 殺死（取消）線程。其作用，對應進程中kill()函數。
• int pthread_cancel(pthread_t thread);，成功：0；失敗：錯誤號。
• 【注意】：線程的取消并不是實時的，而有一定的延時。需要等待線程到達某個取消點（檢查點）。
• 類似于玩游戲存檔，必須到達指定的場所（存檔點，如：客棧、倉庫、城里等）才能存儲進度。殺死線程也不是立刻就能完成，必須要到達取消點。
• 取消點：是線程檢查是否被取消，并按請求進行動作的一個位置。通常是一些系統調用create、open、pause、close、read、write...執行命令man 7 pthreads可以查看具備這些取消點的系統調用列表。也可參閱APUE.12.7取消選項小節。
• 可粗略認為一個系統調用（進入內核）即為一個取消點。如線程中沒有取消點，可以通過調用pthread_testcancel函數自行設置一個取消點。
• 被取消的線程，退出值定義在Linux的pthread庫中。常數PTHREAD_CANCELED的值是-1。可以頭文件pthread.h中找到它的定義：#define PTHREAD_CANCELED((void *)-1)。因此當我們對一個已經被取消的線程使用pthread_join回收時，得到的返回值為-1。

• 【練習】：終止線程的三種方法。注意“取消點”的概念。

  #include <stdio.h>                                                                                    
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <stdlib.h>void *tfn1(void *arg)
  {printf("thread 1 returning\n");return (void *)111;
  }void *tfn2(void *arg)
  {printf("thread 2 exiting\n");pthread_exit((void *)222);
  }void *tfn3(void *arg)
  {while(1){//printf("thread 3: I'm going to die in 3 seconds ... \n");//sleep(1);pthread_testcancel(); //自己添加取消點}   return (void *)666;
  }int main()
  {pthread_t tid;void *tret = NULL;pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);pthread_join(tid, &tret);printf("thread 1 exit code = %d\n\n", (int)tret);pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);pthread_join(tid, &tret);printf("thread 2 exit code = %d\n\n", (int)tret);pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);sleep(3);pthread_cancel(tid);pthread_join(tid, &tret);printf("thread 3 exit code = %d\n", (int)tret);
  }

pthread_equal函數

• 比較兩個線程ID是否相等。
• int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
• 有可能Linux在未來線程ID pthread_t類型被修改為結構體實現。

控制原語對比

    進程              線程fork            pthread_create      創建exit            pthread_exit        退出wait            pthread_join        等待kill            pthread_cancel      殺死getpid          pthread_self        取得IDpthread_detach      分離

線程屬性

• 本節作為指引性介紹，Linux下線程的屬性是可以根據實際項目需要進行設置，之前我們討論的線程都是采用線程的默認屬性，默認屬性已經可以解決絕大多數開發時遇到的問題。如我們對程序的性能提出更高的要求，那么需要設置線程屬性，比如可以通過設置線程棧的大小來降低內存的使用，增加最大線程個數。
  typedef struct{
  int etachstate; //線程的分離狀態
  int schedpolicy; //線程調度策略
  struct sched_param schedparam; //線程的調度參數
  int inheritsched; //線程的繼承性
  int scope; //線程的作用域
  size_t guardsize; //線程棧末尾的警戒緩沖區大小
  int stackaddr_set; //線程的棧設置
  void* stackaddr; //線程的位置
  size_t stacksize; //線程的大小
  } pthread_attr_t;

• 主要結構體成員
  • 1、線程分離狀態
  • 2、線程棧大小（默認平均分配）
  • 3、線程棧警戒緩沖區大小（位于棧末尾）
• 屬性值不能直接設置，須使用相關函數進行操作，初始化的函數為pthread_attr_init，這個函數必須在pthread_create函數之前調用。之后須用pthread_attr_destroy函數來釋放資源。

• 線程屬性主要包括如下屬性：作用域（scope）、棧尺寸（stack size）、棧地址（stack address）、優先級（priority）、分離的狀態（detached state）、調度策略和參數（scheduling policy and parameters）。默認的屬性為非綁定、非分離、缺省的堆棧、與父進程同樣級別的優先級。

線程屬性初始化

• 注意：應先初始化線程屬性，再pthread_create創建線程。
• 初始化線程屬性。
  • int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);，成功：0； 失敗：錯誤號。
• 銷毀線程屬性所占用的資源。
  • int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);，成功：0；失敗：錯誤號。

線程的分離狀態

• 線程的分離狀態決定一個線程以什么樣的方式來終止自己。
• 非分離狀態：線程的默認屬性是非分離狀態，這種情況下，原有的線程等待創建的線程結束。只有當pthread_join()函數返回時，創建的線程才算終止，才能釋放自己占用的系統資源。
• 分離狀態：分離線程沒有被其他的線程等待，自己運行結束了，線程也就終止了，馬上釋放系統資源。應該根據自己的需要，選擇適當的分離狀態。
• 線程分離狀態的函數：
• 設置線程屬性，分離or非分離。
  • int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
• 獲取線程屬性，分離or非分離
  • int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
  • 參數：
    • attr：已經初始化的線程屬性
    • detachstate：
      • PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離線程）
      • PTHREAD_CREATE_JOINABLE（非分離線程）

• 這里要注意的一點是，如果設置一個線程為分離線程，而這個線程運行又非常快，它很可能在pthread_create函數返回之前就終止了，它終止以后就可能將線程號和系統資源移交給其他的線程使用，這樣調用pthread_create的線程就得到了錯誤的線程號。要避免這種情況可以采取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被創建的線程里調用pthread_cond_timedwait函數，讓這個線程等待一會兒，留出足夠的時間讓函數pthread_create返回。設置一段等待時間，是在多線程編程里常用的方法。但是注意不要使用諸如wait()之類的函數，它們是使整個進程睡眠，并不能解決同步的問題。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>void *thread_func(void *arg)
  {pthread_exit((void *)11);
  }int main()
  {pthread_t tid;int ret;pthread_attr_t attr;ret = pthread_attr_init(&attr);if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_attr_init error:%s\n", strerror(ret));exit(1);}   pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);ret = pthread_create(&tid, &attr, thread_func, NULL);if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));exit(1);}   ret = pthread_join(tid, NULL);if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_join error:%s\n", strerror(ret));exit(1);}   pthread_exit((void *)1);                                                                          return 0;
  }

線程的棧地址

• POSIX.1 定義了兩個常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE
• 檢測系統是否支持棧屬性。也可以給sysconf函數傳遞_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或_SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE來進行檢測。
• 當進程棧地址空間不夠用時，指定新建線程使用由malloc分配的空間作為自己的棧空間。通過pthread_attr_setstack和pthread_attr_getstack兩個函數分別設置和獲取線程的棧地址。
• int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize);
  • 成功：0；失敗：錯誤號
• int pthread_attr_getstack(const pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize);
  • 成功：0；失敗：錯誤號
• 參數
  • attr：指向一個線程屬性的指針。
  • stackaddr：返回獲取的棧地址。
  • stacksize：返回獲取的棧大小。

線程的棧大小

• 當系統中有很多線程時，可能需要減小每個線程棧的默認大小，防止進程的地址空間不夠用，當線程調用的函數會分配很大的局部變量或函數調用層次很深時，可能需要增大線程棧的默認大小。
• 函數pthread_attr_getstacksize和pthread_attr_setstacksize提供設置。
• int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
  • 成功：0；失敗：錯誤號
• int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t?attr, size_t?stacksize);
  • 成功：0；失敗：錯誤號
• 參數
  • attr：指向一個線程屬性的指針。
  • stacksize：返回線程的棧大小。

線程屬性控制示例

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define SIZE 0X10000void *th_fun(void *arg)
{while(1)sleep(1);
}int main()
{pthread_t tid;int err, detachstate, i = 1;pthread_attr_t attr;size_t stacksize;void *stackaddr;pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);//默認是分離態if(detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED)printf("thread detached\n");//默認是非分離else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)printf("thread join\n");elseprintf("thread un known\n");//設置線程分離屬性pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);while(1){//在堆上申請內存，指定線程棧的起始地址和大小stackaddr = malloc(SIZE);if(stackaddr == NULL){perror("malloc");exit(1);}stacksize = SIZE;//借助線程的屬性，修改線程棧空間大小pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize);err = pthread_create(&tid, &attr, th_fun, NULL);if(err != 0){printf("%s\n", strerror(err));exit(1);}printf("%d\n", i++);}pthread_attr_destroy(&attr);
}

NPTL

• 1、察看當前pthread庫版本getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
• 2、NPTL實現機制（POSIX），Native POSIX Thread Library
• 3、使用線程庫時gcc指定-lpthread

線程使用注意事項

• 1、主線程退出其他線程不退出，主線程退出應調用pthread_exit
• 2、避免僵尸線程
  • pthread_join
  • pthread_detach
  • pthread_create，指定分離屬性
  • 被join線程可能在join函數返回前就釋放完自己的所有內存資源，所以不應當返回被回收線程棧中的值。
• 3、malloc和mmap申請的內存可以被其他線程釋放。
• 4、應避免在多線程模型中調用fork，除非馬上exec，子進程中只有調用fork的線程存在，其他線程在子進程中均pthread_exit。
• 5、信號的復雜語義很難和多線程共存，應避免在多線程引入信號機制。

同步

• 所謂同步，即同時起步，協調一致。不同的對象，對“同步”的理解方式略有不同。如，設備同步，是指在兩個設備之間規定一個共同的時間參考；數據庫同步，是指讓兩個或多個數據庫內容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指讓兩個或多個文件夾里的文件保持一致。等等

• 而，編程中、通信中所說的同步與生活中大家印象中的同步概念略有差異。“同”字應是指協同、協助、互相配合。主旨在協同步調，按預定的先后次序運行。

  線程同步

• 同步即協同步調，按預定的先后次序運行。
• 線程同步，指一個線程發出某一功能調用時，在沒有得到結果之前，該調用不返回。同時其它線程為保證數據一致性，不能調用該功能。
• 舉例1：銀行存款5000。柜臺，折：取3000；提款機，卡：取3000。剩余：2000
• 舉例2：內存中100字節，線程T1欲填入全1，線程T2欲填入全0。但如果T1執行了50個字節失去CPU，T2執行，會將T1寫過的內容覆蓋。當T1兩次獲得CPU繼續從失去CPU的位置向后寫入1，當執行結束，內存中的100字節，既不是全1，也不是全0。
• 產生的現象叫做“與時間有關的錯誤”（time related）。為了避免這種數據混亂，線程需要同步。
• “同步”的目的，是為了避免數據混亂，解決與時間有關的錯誤。實際上，不僅線程間需要同步，進程間、信號間等等都需要同步機制。

• 因此，所有“多個控制流，共同操作一個共享資源”的情況，都需要同步。

  數據混亂原因

• 1、資源共享（獨享資源則不會）。
• 2、調度隨機（意味著數據訪問會出現競爭）。
• 3、線程間缺乏必要的同步機制。
• 以上3點中，前兩點不能改變，欲提高效率，傳遞數據，資源必須共享。只要共享資源，就一定會出現競爭。只要存在競爭關系，數據就很容易出現混亂。

• 所有只能從第三點著手解決。使多個線程在訪問共享資源的時候，出現互斥。

  互斥mutex

• Linux中提供一把互斥鎖mutex(也稱之為互斥量)。
• 每個線程在對資源操作前都嘗試先加鎖，成功加鎖才能操作，操作結束解鎖。
• 資源還是共享的，線程間也還是競爭的，但通過“鎖”就將資源的訪問變成互斥操作，而后與時間有關的錯誤也不會再產生了。
  
• 但，應注意：同一時刻，只能有一個線程持有該鎖。
• 當A線程對某個全局變量加鎖訪問，B在訪問前嘗試加鎖，拿不到鎖，B阻塞。C線程不去加鎖，而直接訪問該全局變量，依然能夠訪問，但會出現數據混亂。
• 所以，互斥鎖實質上是操作系統提供的一把“建議鎖”（又稱“協同鎖”），建議程序中有多線程訪問共享資源的時候使用該機制。但并沒有強制限定。

• 因此，即使有了mutex，如果有線程不按規則來訪問數據，依然會造成數據混亂。

  主要應用函數

• 基本操作
  • pthread_mutex_init函數
  • pthread_mutex_destroy函數
  • pthread_mutex_lock函數
  • pthread_mutex_trylock函數
  • pthread_mutex_unlock函數
  • 以上5個函數的返回值都是：成功返回0，失敗返回錯誤號。
  • pthread_mutex_t 類型，其本質是一個結構體。為簡化理解，應用時可忽略其實現細節，簡單當成整數看待。
  • pthread_mutex_t mutex; 變量mutex只有兩種取值1、0。
• pthread_mutex_init函數
  • 初始化一個互斥鎖（互斥量） --> 初值可看作1。
  • int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * restrict mutex, const pthread_mutexattr_t * restrict attr);
  • 參1：傳出參數，調用時應傳&mutex。
  • restrict關鍵字：只用于限制指針，告訴編譯器，所有修改該指針指向內存中內容的操作，只能通過本指針完成。不能通過除本指針以外的其他變量或指針修改。
  • 參2：互斥量屬性。是一個傳入參數，通常傳NULL，選用默認屬性（線程間共享）。參APUE.12.4同步屬性
    • 靜態初始化：如果互斥鎖mutex是靜態分配的（定義在全局，或加了static關鍵字修飾），可以直接使用宏進行初始化。e.g.?pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    • 動態初始化：局部變量應采用動態初始化。e.g.pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
• pthread_mutex_destroy函數
  • 銷毀一個互斥鎖。
  • int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
• pthread_mutex_lock函數
  • 加鎖。可理解為將mutex--（或1）
  • int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
• pthread_mutex_unlock函數
  • 解鎖。可理解為將mutex++(或+1)
  • int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
• pthread_mutex_trylock函數
  • 嘗試加鎖。
  • int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

加鎖與解鎖

• lock與unlock
  • lock嘗試加鎖，如果加鎖不成功，線程阻塞，阻塞到持有該互斥量的其他線程鎖為止。
  • unlock主動解鎖函數，同時將阻塞在該鎖上的所有線程全部喚醒，至于哪個線程先被喚醒，取決于優先級、調度。默認：先阻塞、先喚醒。
  • 例如：T1、T2、T3、T4使用一把mutex鎖。T1加鎖成功，其他線程均阻塞，直至T1解鎖。T1解鎖后，T2、T3、T4均被喚醒，并自動再次嘗試加鎖。
  • 可假想mutex鎖init成功初值為1。lock功能是將mutex--，unlock將mutex++。
• lock與trylock
  • lock加鎖失敗會阻塞，等待鎖釋放。

  • trylock加鎖失敗直接返回錯誤號（如：EBUSY），不阻塞。

    加鎖步驟測試

• 看如下程序：該程序是非常典型的，由于共享、競爭而沒有加任何同步機制，導致產生于時間有關的錯誤，造成數據混亂。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>void *tfn(void *arg)
  {srand(time(NULL));while(1){printf("hello "); //模擬長時間操作共享資源，導致CPU易主，產生與時間有關的錯誤sleep(rand() % 3); printf("world\n");sleep(rand() % 3); }return NULL;
  }int main(void)
  {pthread_t tid;srand(time(NULL));pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);while(1){printf("HELLO "); sleep(rand() % 3); printf("WORLD\n");sleep(rand() % 3); }return 0;
  }

• 【練習】：修改該程序，使用mutex互斥鎖進行同步。
  • 1、定義全局互斥鎖，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加對應的destroy。
  • 2、兩個線程while中，兩次printf前后，分別加lock和unlock。
  • 3、將unlock挪至第二個sleep后，發現交替現象很難出現。
    • 線程在操作完共享資源后本應該立即解鎖，但修改后，線程抱著鎖睡眠。睡醒解鎖后又立即加鎖，這兩個庫函數本身不會阻塞。
    • 所以在這兩行代碼之間失去CPU的概率很小。因此，另外一個線程很難得到加鎖的機會。
  • 4、main中加flag=5將flag在while中--，這時，主線程輸出5次后試圖銷毀鎖，但子線程未將鎖釋放，無法完成。

  • 5、main中加pthread_cancel()將子線程取消。

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>//定義鎖
    pthread_mutex_t mutex;void *tfn(void *arg)
    {srand(time(NULL));while(1){//加鎖pthread_mutex_lock(&mutex);printf("hello "); //模擬長時間操作共享資源，導致CPU易主，產生與時間有關的錯誤sleep(rand() % 3); printf("world\n");//解鎖pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(rand() % 3); //添加檢查點pthread_testcancel();}return NULL;
    }int main(void)
    {int flag = 5;pthread_t tid;srand(time(NULL));//鎖初始化pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  //mutex = 1pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);while(flag--){//加鎖pthread_mutex_lock(&mutex);printf("HELLO ");sleep(rand() % 3);printf("WORLD\n");//解鎖pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(rand() % 3);}//取消子線程pthread_cancel(tid);pthread_join(tid, NULL);//鎖銷毀pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
    }

• 結論：在訪問共享資源前加鎖，訪問結束后立即解鎖。鎖的“粒度”應越小越好。

死鎖

• 1、線程試圖對同一個互斥量A加鎖兩次。
• 2、線程1擁有A鎖，請求獲得B鎖；線程2擁有B鎖，請求獲得A鎖。
  
• 【作業】：編寫程序，實現上述死鎖現象。

讀寫鎖

• 與互斥量類似，但讀寫鎖允許更高的并行性。其特性為：寫獨占，讀共享。

讀寫鎖狀態

• 1、讀模式下加鎖狀態（讀鎖）。
• 2、寫模式下加鎖狀態（寫鎖）。
• 3、不加鎖狀態。

讀寫鎖特性

• 1、讀寫鎖是“寫模式加鎖”時，解鎖前，所有對該鎖加鎖的線程都會被阻塞。
• 2、讀寫鎖是“讀模式加鎖”時，如果線程以讀模式對其加鎖會成功；如果線程以寫模式加鎖會阻塞。
• 3、讀寫鎖是“讀模式加鎖”時，既有試圖以寫模式加鎖的線程，也有試圖以讀模式加鎖的線程。那么讀寫鎖會阻塞隨后的讀模式鎖請求。優先滿足寫模式鎖。讀鎖、寫鎖并行阻塞，寫鎖優先級高。
• 讀寫鎖也叫共享-獨占鎖。當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的；當它以寫模式鎖住時，它是以獨占模式鎖住的。寫獨占、讀共享。
• 讀寫鎖非常適合于對數據結構讀的次數遠大于寫的情況。

主要應用函數

• 基本操作
  • pthread_rwlock_init函數
  • pthread_rwlock_destroy函數
  • pthread_rwlock_rdlock函數
  • pthread_rwlock_wrlock函數
  • pthread_rwlock_tryrdlock函數
  • pthread_rwlock_trywrlock函數
  • pthread_rwlock_unlock函數
  • 以上7個函數的返回值都是：成功返回0，失敗直接返回錯誤號。
  • pthread_rwlock_t類型，用于定義一個讀寫鎖變量。
  • pthread_rwlock_t rwlock;

• 示例

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>int counter;
  pthread_rwlock_t rwlock;void *th_write(void *arg)
  {int t;int i = (int)arg;while(1){t = counter;usleep(1000);pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);                                                               printf("======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(5000);}   return NULL;
  }void *th_read(void *arg)
  {int i = (int)arg;while(1){pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("======read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(900);}   return NULL;
  }//3個線程不定時寫全局資源，5個線程不定時讀同一全局資源
  int main()
  {int i;pthread_t tid[8];//初始讀寫鎖pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);for(i = 0; i < 3; i++)pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);for(i = 0; i < 5; i++)pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);for(i = 0; i < 8; i++)pthread_join(tid[i], NULL);//釋放讀寫鎖pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
  }   

條件變量

• 條件變量本身不是鎖！但它也可以造成阻塞。通常與互斥鎖配合使用。給多線程提供一個會合的場所。

主要應用函數

• 基本操作
  • pthread_cond_init函數
  • pthread_cond_destroy函數
  • pthread_cond_wait函數
  • pthread_cond_timedwait函數
  • pthread_cond_signal函數
  • pthread_cond_broadcast函數
  • 以上6個函數的返回值都是：成功返回0，失敗直接返回錯誤號。
  • pthread_cond_t類型，用于定義條件變量。
  • pthread_cond_t cond;
• pthread_cond_init函數
  • 初始化一個條件變量
  • int pthread_cond_init(pthread_cond_t * restrict cond, const pthread_condattr_t * restrict attr);
  • 參2：attr表條件變量屬性，通常為默認值，傳NULL即可。
  • 也可以使用靜態初始化的方法，初始化條件變量：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZED;
• pthread_cond_destroy函數
  • 銷毀一個條件變量
  • int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
• pthread_cond_wait函數
  • 阻塞等待一個條件變量
  • int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * restrict cond, pthread_mutex_t * restrict mutex);
  • 函數作用：
    • 1、阻塞等待條件變更cond（參1）滿足
    • 2、釋放已掌握的互斥鎖（解鎖互斥量）相當于pthread_mutex_unlock(&mutex);
    • 1和2兩步為同一個原子操作。
    • 3、當被喚醒，pthread_cond_wait函數返回時，解除阻塞并重新申請獲取互斥鎖pthread_mutex_lock(&mutex);
• pthread_cond_timedwait函數
  • 限時等待一個條件變量
  • int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t * restrict cond, pthread_mutex_t * restrict mutex, const struct timespec * restrict abstime);

  • 參3：參看man sem_timedwait函數，查看struct timespec結構體。

    struct timespec{time_t tv_sec;  /*seconds*/ 秒long tv_nsec;  /*nanoseconds*/ 納秒
    };

  • 形參abstime：絕對時間。

    • 如：time(NULL)返回的就是絕對時間。而alarm(1)是相對時間，相對當前時間定時1秒鐘。

      struct timespec t = {1,0};
      pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &t);
      只能定時到1970年1月1日 00：00：01秒（早已經過去）

    • 正確用法：
      • time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。
      • struct timespec t; 定義tiemspec結構體變量t
      • t.tv_sec = cur + 1; 定時1秒
      • pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &t); 傳參

    • 在講解setitimer函數時我們還提到另一種時間類型

      struct timeval{time_t tv_sec;  /*seconds*/ 秒suseconds_t tv_usec;  /*microseconds*/ 微秒
      };

• pthread_cond_signal函數
  • 喚醒至少一個阻塞在條件變量上的線程。
  • int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
• pthread_cond_broadcast函數
  • 喚醒全部阻塞在條件變量上的線程。
  • int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生產消費者條件變量模型

• 線程同步典型的案例即為生產消費者模型，而借助條件變量來實現這一模型，是比較常見的一種方法。假定有兩個線程，一個模擬生產者行為，一個模擬消費者行為。兩個線程同時操作一個共享資源（一般稱之為匯聚），生產向其中添加產品，消費者從中消費掉產品。
  

• 看如下示例，使用條件變量模擬生產者、消費者問題：

  /*借助條件變量模擬，生產者-消費者問題*/                                                               
  #include <stdlib.h>
  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>/*鏈表作為共享數據，需被互斥量保護*/
  struct msg {struct msg *next;int num;
  };struct msg *head;
  struct msg *mp;/*靜態初始化一個條件變量和一個互斥量*/
  pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *consumer(void *p)
  {for(;;){pthread_mutex_lock(&lock);while(head == NULL){ //頭指針為空，說明沒有節點pthread_cond_wait(&has_product, &lock);}mp = head;head = mp->next; //模擬消費掉一個產品pthread_mutex_unlock(&lock);printf("-Consume ---%d\n", mp->num);free(mp);sleep(rand() % 5);}
  }void *producer(void *p)
  {for(;;){mp = malloc(sizeof(struct msg));//模擬生產一個產品mp->num = rand() % 1000 + 1;printf("-Produce ---%d\n", mp->num);pthread_mutex_lock(&lock);mp->next = head;head = mp;pthread_mutex_unlock(&lock);//將等待在該條件變量上的一個線程喚醒pthread_cond_signal(&has_product);sleep(rand() % 5);}
  }int main(int argc, char * argv)
  {pthread_t pid, cid;srand(time(NULL));pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);pthread_join(pid, NULL);pthread_join(cid, NULL);return 0;
  }

條件變量的優點：

• 相較于mutex而言，條件變量可以減少競爭。
• 如直接使用mutex，除了生產者、消費者之間要競爭互斥量以外，消費者之間也要競爭互斥量，但如果匯聚（鏈表）中沒有數據，消費者之間競爭互斥鎖是無意義的。有了條件變量機制以后，只有生產者完成生產，才會引起消費者之間競爭。提高了程序效率。

信號量

• 進化版的互斥鎖（1-->N）。
• 由于互斥鎖的粒度比較大，如果我們希望在多個線程間對某一對象的部分數據進行共享，使用互斥鎖是沒有辦法實現的，只能將整個數據對象鎖住。這樣雖然達到了多線程操作共享數據時保證正確性的目的，卻無形中導致線程的并發性下降。線程從并行執行，變成了串行執行。與直接使用單進程無異。

• 信號量，是相對折中的一種處理方式，既能保證同步，數據不混亂，又能提高線程并發。

  主要應用函數

• 函數列表
  • sem_init函數
  • sem_destroy函數
  • sem_wait函數
  • sem_post函數
  • sem_trywait函數
  • sem_timedwait函數
  • 以上6個函數的返回值都是：成功返回0，失敗返回-1，同時設置errno。（注意，它們沒有pthread前綴）。
  • sem_t類型，本質仍是結構體。但應用期間可簡單看作為整數，忽略實現細節（類似于使用文件描述符）。
  • sem_t sem; 規定信號量sem不能<0。頭文件
• 信號量基本操作：
  • sem_wait：
    • 1、信號量大于0，則信號量--。（類比pthread_mutex_lock）
    • 2、信號量等于0，造成線程阻塞
  • sem_post：
    • 將信號量++，同時喚醒阻塞在信號量上的線程。（類比pthread_mutex_unlock）
  • 但，由于sem_t的實現對用戶隱藏，所有所謂的++、--操作只能通過函數來實現，而不能直接++、--符號。
  • 信號量的初值，決定了占用信號量的線程的個數。
• sem_init函數
  • 初始化一個信號量。
  • int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
  • 參1：sem信號量。
  • 參2：pshared取0用于線程間；取非0（一般為1）用于進程間。
  • 參3：value指定信號量初值。
• sem_destroy函數
  • 銷毀一個信號量。
  • int sem_destroy(sem_t *sem);
• sem_wait函數
  • 給信號量加鎖 --
  • int sem_wait(sem_t *sem);
• sem_post函數
  • 給信號量解鎖 ++
  • int sem_post(sem_t *sem);
• sem_trywait函數
  • 嘗試對信號量加鎖 --。（與sem_wait的區別類比lock和trylock）
  • int sem_trywait(sem_t *sem);
• sem_timedwait函數
  • 限時嘗試對信號量加鎖--
  • int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

  • 參2：abs_timeout采用的是絕對時間。

    生產者消費者信號量模型

• 【練習】：使用信號量完成線程間同步，模擬生產者，消費者問題。

  /*信號量實現生產者消費者問題*/
  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>                                                                                   
  #include <pthread.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <semaphore.h>#define NUM 5int queue[NUM]; //全局數組實現環形隊列
  sem_t blank_number, product_number; //空格子信號量，產品信號量void *producer(void *arg)
  {int i = 0;while(1) {sem_wait(&blank_number); //生產者將空格子數--，為0則阻塞等待queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生產一個產品printf("----Produce----%d\n", queue[i]);sem_post(&product_number); //將產品數++i = (i+1) % NUM; //借助下標實現環形sleep(rand() % 3); }   return NULL;
  }void *consumer(void *arg)
  {int i = 0;while(1){sem_wait(&product_number); //消費者將產品數--，為0則阻塞等待printf("--Consume---%d\n", queue[i]);queue[i] = 0; //消費一個產品sem_post(&blank_number); //消費掉以后，將空格子數++i = (i+1) % NUM; //借助下標實現環形sleep(rand() % 3); }   return NULL;
  }int main()
  {pthread_t pid, cid;sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信號量為5sem_init(&product_number, 0, 0); //產品數為0pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);pthread_join(pid, NULL);pthread_join(cid, NULL);sem_destroy(&blank_number);sem_destroy(&product_number);return 0;
  }

• 分析
  • 規定
    • 如果隊列中有數據，生產者不能生產，只能阻塞。
    • 如果隊列中沒有數據，消費者不能消費，只能等待數據。
  • 定義兩個信號量：S滿 = 0， S空 = 1（S滿代表滿格的信號量，S空表示空格的信號量，程序起始，格子一定為空）。

  • 所以有：

    T生產者主函數 ｛sem_wait(S空);生產...sem_post(S滿)
    ｝T消費者主函數 ｛sem_wait(S滿);消費...sem_post(S空)
    ｝

  • 假設：線程到達的順序是：T生、T生、T消。
  • 那么：
    • T生1到達，將S空-1，生產，將S滿+1
    • T生2到達，S空已經為0，阻塞
    • T消到達，將S滿-1，消費，將S空+1
  • 三個線程到達的順序是：T生1、T生2、T消。而執行的順序是T生1、T消、T生2
  • 這里，【S空】表示空格子的總數，代表可占用信號量的線程總數-->1。其實這樣的話，信號量就等同于互斥鎖。
  • 但，如果S空=2、3、4……就不一樣了，該信號量同時可以由多個線程占用，不再是互斥的形狀。因此我們說信號量是互斥鎖的加強版。
  • 【推演練習】：理解上述模型，推演，如果是兩個消費者，一個生產者，是怎么樣的情況。

  • 【作業】：結合生產者消費者信號量模型，揣摩sem_timedwait函數作用。編程實現，一個線程讀用戶輸入，另一個線程打印“hello world”。如果用戶無輸入，則每隔5秒向屏幕打印一個“hello world”；如果用戶有輸入，立刻打印“hello world”到屏幕。

進程間同步

• 進程間也可以使用互斥鎖，來達到同步的目的。但應在pthread_mutex_init初始化之前，修改其屬性為進程間共享。mutex的屬性修改函數主要有以下幾個。

  互斥量mutex

• 主要應用函數
  • pthread_mutexattr_t mattr類型：用于定義mutex鎖的【屬性】。
  • pthread_mutexattr_init函數：初始化一個mutex屬性對象。
    • int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
  • pthread_mutexattr_destroy函數：銷毀mutex屬性對象（而非銷毀鎖）。
    • int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
  • pthread_mutexattr_setpshared函數：修改mutex屬性。
    • int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);
    • 參2：pshared取值
      • 線程鎖：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE(mutex的默認屬性即為線程鎖，進程間私有)
      • 進程鎖：PTHREAD_PROCESS_SHARED

• 進程間mutex示例

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <string.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <pthread.h>
  #include <sys/mman.h>
  #include <sys/wait.h>struct mt {int num;pthread_mutex_t mutex;pthread_mutexattr_t mutexattr;
  };int main()
  {int i;struct mt *mm;pid_t pid;mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);memset(mm, 0, sizeof(*mm));pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr); //初始化mutex屬性對象pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED); //修改屬性為進程間共享pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr); //初始化一把mutex鎖pid = fork();if(pid == 0){for(i = 0; i < 10; i++){pthread_mutex_lock(&mm->mutex);(mm->num)++;printf("-Child------------num++   %d\n", mm->num);pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);sleep(1);}} else if(pid > 0){for(i = 0; i < 10; i++){sleep(1);pthread_mutex_lock(&mm->mutex);mm->num+=2;printf("-------parent-----num+=2  %d\n", mm->num);pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);}wait(NULL);}pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr); //銷毀mutex屬性對象pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //銷毀mutexmunmap(mm,sizeof(*mm)); //釋放映射區return 0;
  }

文件鎖

• 借助fcntl函數來實現鎖機制。操作文件的進程沒有獲得鎖時，可以打開，但無法執行read、write操作。
• fcntl函數：獲取、設置文件訪問控制屬性。
• int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
  • 參2：
    • F_SETLK(struct flock *)，設置文件鎖（trylock）。
    • F_SETLKW(struct flock *)，設置文件鎖（lock）W --> wait
    • F_GETLK(struct flock *)，獲取文件鎖

  • 參3：

    struct flock {...short l_type;    /* 鎖的類型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */short l_whence;  /* 偏移位置: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */off_t l_start;   /* 起始偏移：1000*/off_t l_len;     /* 長度：0表示整個文件加鎖 */pid_t l_pid;     /* 持有該鎖的進程ID：F_GETLK, F_OFD_GETLK */...
    };

• 進程間文件鎖示例

  #include <stdio.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <unistd.h>
  #include <stdlib.h>void sys_err(char *str){perror(str);exit(1);
  }int main(int argc, char *argv[])
  {int fd;struct flock f_lock;if(argc < 2){printf("./a.out filename\n");exit(1);}if((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)sys_err("open");f_lock.l_type = F_WRLCK; //選用寫鎖//f_lock.l_type = F_RDLCK; //選用讀鎖f_lock.l_whence = SEEK_SET;f_lock.l_start = 0;f_lock.l_len = 0; //0表示整個文件加鎖fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);printf("get flock\n");sleep(10);f_lock.l_type = F_UNLCK;fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);printf("un flock\n");close(fd);return 0;
  }

  • 依然遵循”讀共享、寫獨占“特性。但！如若進程不加鎖直接操作文件，依然可訪問成功，但數據勢必出現混亂。
  • 【思考】：多線程中，可以使用文件鎖嗎？
    • 多線程間共享文件夾描述符，而給文件加鎖，是通過修改文件描述符所指向的文件結構體中的成員變量來實現的。因此，多線程中無法使用文件鎖。

哲學家用餐模型分析

多線程版

• 選用互斥鎖mutex，如創建5個，pthread_mutex_t m[5];
• 模型抽象：
  • 5個哲學家 --> 5個線程； 5支筷子 --> 5把互斥鎖； int left（左手）， right（右手）。
  • 5個哲學家使用相同的邏輯，可通用一個線程主函數，void *tfn(void *arg)，使用參數來表示線程編號：int i = (int)arg;
  • 哲學家線程根據編號知道自己第幾個哲學家，而后選定鎖，鎖住，吃飯。否則哲學家thinking。

  • 5支筷子，在邏輯上形成環，分別對應5個哲學家。

        A       B       C       D       E
    0       1       2       3       4

    

  • 所以有：

    if(i == 4)left = i, right = 0;
    elseleft = i, right = i + 1;

  • 振蕩：如果每個人都攥著自己左手的鎖，嘗試去拿右手鎖，拿不到則將鎖釋放。過會兒五個人又同時再攥著左手鎖嘗試拿右手鎖，依然拿不到。如此往復形成另外一種極端死鎖的現象--振蕩。
  • 避免振蕩現象：只需5個人中，任意一個人，拿鎖的方向與其他人相逆即可（如：E，原來：左：4，右：0；現在：左：0，右：4）。

  • 所以以上if else語句應改為

    if(i == 4)left = 0, right = i;
    elseleft = i, right = i + 1;

  • 而后，首先讓哲學家嘗試加左手鎖：

    while(1){pthread_mutex_lock(&m[left]); 如果加鎖成功，函數返回再加右手鎖，如果失敗，應立即釋放左手鎖，等待。若左右手都加鎖成功 --> 吃 --> 吃完 --> 釋放鎖（應先釋放右手、再釋放左手，是加鎖順序的逆序）
    }

  • 主線程（main）中，初始化5把鎖，銷毀5把鎖，創建5個線程（并將i傳遞給線程主函數），回收5個線程。
  • 避免死鎖的方法
    • 1、當得不到所有所需資源時，放棄已經獲得的資源，等待。
    • 2、保證資源的獲取順序，要求每個線程獲取資源的順序一致。如：A獲取順序1、2、3；B順序應也是1、2、3。若B為3、2、1則易出現死鎖現象。

多進程版

• 相較于多線程需注意問題：
  • 需注意如何共享信號量（注意：堅決不能使用全局變量sem_t s[5]）
• 實現：
  • main函數中：
    • 循環sem_init(&s[i], 0, 1); 將信號量初始值設為1，信號量變為互斥鎖。
    • 循環sem_destroy(&s[i]);
    • 循環創建5個進程。if(i<5)中完成子進程的代碼邏輯。
    • 循環回收5個子進程。

  • 子進程中：

    if(i == 4)left = 0, right = 4;
    elseleft = i, right = i + 1;while(1){使用sem_wait(&s[left])鎖左手，嘗試鎖右手，若成功 --> 吃；若不成功 --> 將左手鎖釋放。吃完后，先釋放右手鎖，再釋放左手鎖。
    }

  • 【重點注意】
    • 直接將sem_t s[5]放在全局位置，試圖用于子進程間共享是錯誤的！應將其定義放置與mmap共享映射區中。
    • main中：
      • sem_t?s = mmap(NULL, sizeof(sem_t)5, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
      • 使用方式：將s當成數組首地址看待，與使用數組s[5]沒有差異。