linux服務器開發二(系統編程)--線程相關
線程概念
什麼是線程
- LWP：Light Weight Process，輕量級的進程，本質還是進程（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）。
- 進程與線程的區別：在因而否共享地址空間。
- 獨居（進程）。
- 合租（線程）。
- Linux下：
- 線程：最小的執行單位。
- 進程：最小分配資源單位，可當作是一個線程的進程。
安裝man文檔linux
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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，藉助進程機制實現出了線程的概念。所以在這類系統中，進程和線程關係密切。
- 一、輕量級進程（light-weight process），也有PCB，建立線程使用的底層函數和進程同樣，都是clone。
- 二、從內核裏看進程和線程是同樣的，都有各自不一樣的PCB，可是PCB中指向內存資源的三級頁表是相同的。
- 三、進程能夠蛻變成線程。
- 四、線程可看作寄存器和棧的集合。
- 五、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。
- 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（可當作數組，首地址位於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
- 對於進程來講，相同的地址（同一個虛擬址）在不一樣的進程中，反覆使用而不衝突。緣由是他們雖虛擬址同樣，但頁目錄、頁表、物理頁面各不相同。相同的虛擬址，映射到不一樣的物理頁面內存單元，最終訪問不一樣的物理頁面。
- 但線程不一樣！兩個線程具備各自獨立的PCB，但共享同一個頁目錄，也就共享同一個頁表和物理頁面。因此兩個PCB共享一個地址空間。
- 實際上，不管是建立的fork，仍是建立線程的pthread_create，底層實現都是調用同一個內核函數clone。
- 若是複製對方的地址空間，那麼就產生一個「進程」；若是共享對方的地址空間，就產生一個「線程」。
- 所以：Linux內核是不區分進程和線程的。只有用戶層面上進行區分。因此，線程全部操做函數pthread_*是庫函數，而非系統調用。
線程共享資源
- 一、文件描述符表
- 二、每種信號的處理方式。
- 三、當前工做目錄。
- 四、用戶ID和組ID。
- 五、內存地址空間（.text/.data/.bss/heap/共享庫）
線程非共享資源
- 一、線程ID。
- 二、處理器現場和棧指針。
- 三、獨立的棧空間（用戶空間棧）。
- 四、errno變量.
- 五、信號屏蔽字。
- 六、調度優先級。
線程優勢、缺點
- 優勢
- 一、提升程序併發性。
- 二、開銷小。
- 三、數據通訊、共享數據方便。
- 缺點
- 一、庫函數，不穩定。
- 二、調試、編寫困難、gdb不支持。
- 三、對信號支持很差。
- 優勢相對突出，缺點均不是硬傷。Linux下因爲實現方法致使進程、線程差異不是很大。
線程控制原語
pthread_self函數
- 獲取線程ID。其做用對應進程中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下爲無符號整數（%lu），其餘系統中多是結構體實現。
- 線程ID是進程內部，識別標誌。（兩個進程間，線程ID容許相同）。
- 注意：不該使用全局變量pthread_t tid，在子線程中經過pthread_create傳出參數來獲取線程ID，而應使用pthread_self。
pthread_create函數
- 建立一個新線程。其做用，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，全部線程特色，失敗均直接返回錯誤號。
- 參數
- pthread_t：當前Linux中可理解爲：typedef unsigned long int pthread_t;
- 參數1：傳出參數，保存系統爲咱們分配好的線程ID。
- 參數2：一般傳NULL，表示使用線程默認屬性。若想使用具體屬性也能夠修改該參數。
- 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()建立新的線程後，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咱們傳給pthread_create的函數指針start_routine決定。start_routine函數接收一個參數，是經過pthread_create的arg參數傳遞給它的，該參數的類型爲void *，這個指針按什麼類型解釋由調用者本身定義。start_routine返回時，這個線程就退出了，其它線程能夠調用pthread_join獲得start_routine的返回值，相似於父進程調用wait(2)獲得子進程的退出狀態，稍後詳細介紹pthread_join。
- pthread_create成功返回後，新建立的線程ID被填寫到thread參數指向的內存單元。咱們知道進程ID的類型是pid_t，每一個進程的ID在整個系統中是惟一的，調用getpid(2)能夠得到當前進程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惟一的，不一樣的系統中thread_t這個類型有不一樣的實現，這多是一個整數值，也多是一個結構體，也多是一個地址，因此不能簡單地當成整數用printf打印，調用pthread_self(3)能夠得到當前線程的ID。
- attr參數表示線程屬性，本節不深刻討論線程屬性，全部代碼例子都傳NULL給attr參數，表示線程屬性取缺省值，感興趣的讀者能夠參考APUE。
- 【練習】：建立一個新線程，打印線程ID。注意：連接線程庫-lpthread
- 因爲pthread_create的錯誤碼不保存在errno中，所以不能直接用perror(3)打印錯誤信息，能夠先用strerror(3)把錯誤碼轉換成錯誤信息再打印。若是任意一個線程調用了exit或_exit，則整個進程的全部線程都會終止，因爲從main函數return也至關於調用exit，爲了防止新建立的線程尚未獲得執行就終止，咱們在main函數return以前延時1秒，這只是一種權宜之計，即便主線程等待1秒，內核也不必定會調度新建立的線程執行，下一節咱們會看到更好的方法。
示例數據庫
#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】：循環建立多個線程，每一個線程打印本身是第幾個被建立的線程。（相似於進程循環建立子進程）
- 拓展思考：將pthread_create函數參數4修改成
(void *)&i，將線程主函數內改成i = *((int *)arg)是否能夠？不能夠。 示例編程
#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，經常使用的是全局變量。而進程不共享全局變量，只能藉助mmap。
【練習】：設計程序，驗證線程之間共享全局數據。數組
#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，一般傳NULL。
- 思考：使用exit將指定線程退出，能夠嗎？
- 結論：線程中，禁止使用exit函數，會致使進程內全部線程所有退出。
- 在不添加sleep控制輸出順序的狀況下，pthread_create在循環中，幾乎瞬間建立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，取決於內核調度），若是第3個線程執行了exit，將整個進程退出了，因此所有線程退出了。
- 因此，多線程環境中，應儘可能少用，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。任何線程裏exit致使進程退出，其餘線程未工做結束，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，由於當其它線程獲得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：返回到調用者那裏去。
- pthread_exit：將調用該函數的線程退出。
- exit：將進程退出。
示例服務器
#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。其做用，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。網絡
#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能夠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爲thread的線程終止。thread線程以不一樣的方法終止，經過pthread_join獲得的終止狀態是不一樣的，總結以下：
- 一、若是不thread線程經過return返回，retval所指向的單元裏存放的是thread線程函數的返回值。
- 二、若是thread線程被別的線程調用pthread_cancel異常終止掉，retval所指向的單元裏存放的是常數PTHREAD_CALCELED。
- 三、若是thread線程是本身調用pthread_exit終止的，retval所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數。
- 四、若是對thread線程的終止狀態不感興趣，能夠傳NULL給retval參數。
【練習】：使用pthread_join函數將循環建立的多個子線程回收。數據結構
#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係。線程結束後，其退出狀態不禁其餘線程獲取，而直接本身自動釋放。網絡、多線程服務器經常使用。
- 進程如有該機制，將不會產生殭屍進程。殭屍進程的產生主要因爲進程死後，大部分資源被釋放，一點殘留資源存於系統中，致使內核認爲該進程仍存在。
- 也可使用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。
通常狀況下，線程終止後，其終止狀態一直保留到其它線程調用pthread_join獲取它的狀態爲止。可是線程也能夠被置爲detach狀態，這樣的線程一旦終止就馬上回收它佔用的全部資源，而不保留終止狀態。不能對一個已經處於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，若是已經對一個線程調用了pthread_detach就不能再調用pthread_join了。多線程
#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 //經過線程屬性來設置遊離態 pthread_attr_t attr; pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL); #else pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL); //讓線程分離-----自動退出，無系統殘留資源 pthread_detach(tid); #endif while(1){ err = pthread_join(tid, &tret); printf("------------err = %d\n", err); if(err != 0) fprintf(stderr, "thread_join error : %s\n", strerror(err)); else fprintf(stderr, "thread exit code %d\n", (int)tret); } }
pthread_cancel函數
- 殺死（取消）線程。其做用，對應進程中kill()函數。
int pthread_cancel(pthread_t thread);，成功：0；失敗：錯誤號。- 【注意】：線程的取消並非實時的，而有必定的延時。須要等待線程到達某個取消點（檢查點）。
- 相似於玩遊戲存檔，必須到達指定的場所（存檔點，如：客棧、倉庫、城裏等）才能存儲進度。殺死線程也不是馬上就能完成，必需要到達取消點。
- 取消點：是線程檢查是否被取消，並按請求進行動做的一個位置。一般是一些系統調用create、open、pause、close、read、write...執行命令man 7 pthreads能夠查看具有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。
- 可粗略認爲一個系統調用（進入內核）即爲一個取消點。如線程中沒有取消點，能夠經過調用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。能夠頭文件pthread.h中找到它的定義：
#define PTHREAD_CANCELED((void *)-1)。所以當咱們對一個已經被取消的線程使用pthread_join回收時，獲得的返回值爲-1。 【練習】：終止線程的三種方法。注意「取消點」的概念。併發
#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(); //本身添加取消點 } 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在將來線程ID pthread_t類型被修改成結構體實現。
控制原語對比
進程 線程
fork pthread_create 建立
exit pthread_exit 退出
wait pthread_join 等待
kill pthread_cancel 殺死
getpid pthread_self 取得ID
pthread_detach 分離
線程屬性
本節做爲指引性介紹，Linux下線程的屬性是能夠根據實際項目須要進行設置，以前咱們討論的線程都是採用線程的默認屬性，默認屬性已經能夠解決絕大多數開發時遇到的問題。如咱們對程序的性能提出更高的要求，那麼須要設置線程屬性，好比能夠經過設置線程棧的大小來下降內存的使用，增長最大線程個數。
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; //線程的做用域
size_t guardsize; //線程棧末尾的警惕緩衝區大小
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;函數- 主要結構體成員
- 一、線程分離狀態
- 二、線程棧大小（默認平均分配）
- 三、線程棧警惕緩衝區大小（位於棧末尾）
- 屬性值不能直接設置，須使用相關函數進行操做，初始化的函數爲pthread_attr_init，這個函數必須在pthread_create函數以前調用。以後須用pthread_attr_destroy函數來釋放資源。
線程屬性主要包括以下屬性：做用域（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）。默認的屬性爲非綁定、非分離、缺省的堆棧、與父進程一樣級別的優先級。
線程屬性初始化
- 注意：應先初始化線程屬性，再pthread_create建立線程。
- 初始化線程屬性。
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);，成功：0； 失敗：錯誤號。
- 銷燬線程屬性所佔用的資源。
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麼樣的方式來終止本身。
- 非分離狀態：線程的默認屬性是非分離狀態，這種狀況下，原有的線程等待建立的線程結束。只有當pthread_join()函數返回時，建立的線程纔算終止，才能釋放本身佔用的系統資源。
- 分離狀態：分離線程沒有被其餘的線程等待，本身運行結束了，線程也就終止了，立刻釋放系統資源。應該根據本身的須要，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）
這裏要注意的一點是，若是設置一個線程爲分離線程，而這個線程運行又很是快，它極可能在pthread_create函數返回以前就終止了，它終止之後就可能將線程號和系統資源移交給其餘的線程使用，這樣調用pthread_create的線程就獲得了錯誤的線程號。要避免這種狀況能夠採起必定的同步措施，最簡單的方法之一是能夠在被建立的線程裏調用pthread_cond_timedwait函數，讓這個線程等待一下子，留出足夠的時間讓函數pthread_create返回。設置一段等待時間，是在多線程編程裏經常使用的方法。可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，並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。也能夠給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分配的空間做爲本身的棧空間。經過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
- 當系統中有不少線程時，可能須要減少每一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，可能須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 0X10000
void *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");
else
printf("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;
//藉助線程的屬性，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
- 一、察看當前pthread庫版本getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
- 二、NPTL實現機制（POSIX），Native POSIX Thread Library
- 三、使用線程庫時gcc指定-lpthread
線程使用注意事項
- 一、主線程退出其餘線程不退出，主線程退出應調用pthread_exit
- 二、避免殭屍線程
- 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本身的全部內存資源，因此不該當返回被回收線程棧中的值。
- 三、malloc和mmap申請的內存能夠被其餘線程釋放。
- 四、應避免在多線程模型中調用fork，除非立刻exec，子進程中只有調用fork的線程存在，其餘線程在子進程中均pthread_exit。
- 五、信號的複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。不一樣的對象，對「同步」的理解方式略有不一樣。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，或者按須要部分保持一致；文件同步，是指讓兩個或多個文件夾裏的文件保持一致。等等
而，編程中、通訊中所說的同步與生活中你們印象中的同步概念略有差別。「同」字應是指協同、協助、互相配合。主旨在協同步調，按預約的前後次序運行。
線程同步
- 同步即協同步調，按預約的前後次序運行。
- 線程同步，指一個線程發出某一功能調用時，在沒有獲得結果以前，該調用不返回。同時其它線程爲保證數據一致性，不能調用該功能。
- 舉例1：銀行存款5000。櫃檯，折：取3000；提款機，卡：取3000。剩餘：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。但若是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T1兩次得到CPU繼續從失去CPU的位置向後寫入1，當執行結束，內存中的100字節，既不是全1，也不是全0。
- 產生的現象叫作「與時間有關的錯誤」（time related）。爲了不這種數據混亂，線程須要同步。
- 「同步」的目的，是爲了不數據混亂，解決與時間有關的錯誤。實際上，不只線程間須要同步，進程間、信號間等等都須要同步機制。
所以，全部「多個控制流，共同操做一個共享資源」的狀況，都須要同步。
數據混亂緣由
- 一、資源共享（獨享資源則不會）。
- 二、調度隨機（意味着數據訪問會出現競爭）。
- 三、線程間缺少必要的同步機制。
- 以上3點中，前兩點不能改變，欲提升效率，傳遞數據，資源必須共享。只要共享資源，就必定會出現競爭。只要存在競爭關係，數據就很容易出現混亂。
全部只能從第三點着手解決。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(也稱之爲互斥量)。
- 每一個線程在對資源操做前都嘗試先加鎖，成功加鎖才能操做，操做結束解鎖。
- 資源仍是共享的，線程間也仍是競爭的，但經過「鎖」就將資源的訪問變成互斥操做，然後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，依然可以訪問，但會出現數據混亂。
- 因此，互斥鎖實質上是操做系統提供的一把「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。但並無強制限定。
所以，即便有了mutex，若是有線程不按規則來訪問數據，依然會形成數據混亂。
主要應用函數
- 基本操做
- 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。爲簡化理解，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只有兩種取值一、0。
- pthread_mutex_init函數
- 初始化一個互斥鎖（互斥量） --> 初值可看做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：只用於限制指針，告訴編譯器，全部修改該指針指向內存中內容的操做，只能經過本指針完成。不能經過除本指針之外的其餘變量或指針修改。
- 參2：互斥量屬性。是一個傳入參數，一般傳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：若是互斥鎖mutex是靜態分配的（定義在全局，或加了static關鍵字修飾），能夠直接使用宏進行初始化。e.g.
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; - 動態初始化：局部變量應採用動態初始化。e.g.
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
- 靜態初始化：若是互斥鎖mutex是靜態分配的（定義在全局，或加了static關鍵字修飾），能夠直接使用宏進行初始化。e.g.
- pthread_mutex_destroy函數
- 銷燬一個互斥鎖。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
- pthread_mutex_lock函數
- 加鎖。可理解爲將mutex--（或1）
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
- pthread_mutex_unlock函數
- 解鎖。可理解爲將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，若是加鎖不成功，線程阻塞，阻塞到持有該互斥量的其餘線程鎖爲止。
- unlock主動解鎖函數，同時將阻塞在該鎖上的全部線程所有喚醒，至於哪一個線程先被喚醒，取決於優先級、調度。默認：先阻塞、先喚醒。
- 例如：T一、T二、T三、T4使用一把mutex鎖。T1加鎖成功，其餘線程均阻塞，直至T1解鎖。T1解鎖後，T二、T三、T4均被喚醒，並自動再次嘗試加鎖。
- 可假想mutex鎖init成功初值爲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
看以下程序：該程序是很是典型的，因爲共享、競爭而沒有加任何同步機制，致使產生於時間有關的錯誤，形成數據混亂。
#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 "); //模擬長時間操做共享資源，致使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。
- 一、定義全局互斥鎖，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加對應的destroy。
- 二、兩個線程while中，兩次printf先後，分別加lock和unlock。
- 三、將unlock挪至第二個sleep後，發現交替現象很難出現。
- 線程在操做完共享資源後本應該當即解鎖，但修改後，線程抱着鎖睡眠。睡醒解鎖後又當即加鎖，這兩個庫函數自己不會阻塞。
- 因此在這兩行代碼之間失去CPU的機率很小。所以，另一個線程很可貴到加鎖的機會。
- 四、main中加flag=5將flag在while中--，這時，主線程輸出5次後試圖銷燬鎖，但子線程未將鎖釋放，沒法完成。
五、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 "); //模擬長時間操做共享資源，致使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 = 1 pthread_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); //鎖銷燬 pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }
結論：在訪問共享資源前加鎖，訪問結束後當即解鎖。鎖的「粒度」應越小越好。
死鎖
- 一、線程試圖對同一個互斥量A加鎖兩次。
- 二、線程1擁有A鎖，請求得到B鎖；線程2擁有B鎖，請求得到A鎖。
- 【做業】：編寫程序，實現上述死鎖現象。
讀寫鎖
- 與互斥量相似，但讀寫鎖容許更高的並行性。其特性爲：寫獨佔，讀共享。
讀寫鎖狀態
- 一、讀模式下加鎖狀態（讀鎖）。
- 二、寫模式下加鎖狀態（寫鎖）。
- 三、不加鎖狀態。
讀寫鎖特性
- 一、讀寫鎖是「寫模式加鎖」時，解鎖前，全部對該鎖加鎖的線程都會被阻塞。
- 二、讀寫鎖是「讀模式加鎖」時，若是線程以讀模式對其加鎖會成功；若是線程以寫模式加鎖會阻塞。
- 三、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。那麼讀寫鎖會阻塞隨後的讀模式鎖請求。優先知足寫模式鎖。讀鎖、寫鎖並行阻塞，寫鎖優先級高。
- 讀寫鎖也叫共享-獨佔鎖。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，它是以獨佔模式鎖住的。寫獨佔、讀共享。
- 讀寫鎖很是適合於對數據結構讀的次數遠大於寫的狀況。
主要應用函數
- 基本操做
- 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，用於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
- 條件變量自己不是鎖！但它也能夠形成阻塞。一般與互斥鎖配合使用。給多線程提供一個會合的場所。
主要應用函數
- 基本操做
- 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，用於定義條件變量。
- 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，一般爲默認值，傳NULL便可。
- 也可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
- 銷燬一個條件變量
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);- 函數做用：
- 一、阻塞等待條件變動cond（參1）知足
- 二、釋放已掌握的互斥鎖（解鎖互斥量）至關於pthread_mutex_unlock(&mutex);
- 1和2兩步爲同一個原子操做。
- 三、當被喚醒，pthread_cond_wait函數返回時，解除阻塞並從新申請獲取互斥鎖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（早已通過去）- 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函數時咱們還提到另外一種時間類型
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
- 喚醒所有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爲生產消費者模型，而藉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，一個模擬生產者行爲，一個模擬消費者行爲。兩個線程同時操做一個共享資源（通常稱之爲匯聚），生產向其中添加產品，消費者從中消費掉產品。
看以下示例，使用條件變量模擬生產者、消費者問題：
/*藉助條件變量模擬，生產者-消費者問題*/ #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> /*鏈表做爲共享數據，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){ //頭指針爲空，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; }
條件變量的優勢：
- 相較於mutex而言，條件變量能夠減小競爭。
- 如直接使用mutex，除了生產者、消費者之間要競爭互斥量之外，消費者之間也要競爭互斥量，但若是匯聚（鏈表）中沒有數據，消費者之間競爭互斥鎖是無心義的。有了條件變量機制之後，只有生產者完成生產，纔會引發消費者之間競爭。提升了程序效率。
信號量
- 進化版的互斥鎖（1-->N）。
- 因爲互斥鎖的粒度比較大，若是咱們但願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做共享數據時保證正確性的目的，卻無形中致使線程的併發性降低。線程從並行執行，變成了串行執行。與直接使用單進程無異。
信號量，是相對摺中的一種處理方式，既能保證同步，數據不混亂，又能提升線程併發。
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，本質還是結構體。但應用期間可簡單看做爲整數，忽略實現細節（相似於使用文件描述符）。
- sem_t sem; 規定信號量sem不能<0。頭文件<semaphore.h>
- 信號量基本操做：
- sem_wait：
- 一、信號量大於0，則信號量--。（類比pthread_mutex_lock）
- 二、信號量等於0，形成線程阻塞
- 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，因爲sem_t的實現對用戶隱藏，全部所謂的++、--操做只能經過函數來實現，而不能直接++、--符號。
- 信號量的初值，決定了佔用信號量的線程的個數。
- sem_wait：
- 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用於線程間；取非0（通常爲1）用於進程間。
- 參3：value指定信號量初值。
- sem_destroy函數
- 銷燬一個信號量。
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採用的是絕對時間。
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 5 int 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--，爲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; //藉助下標實現環形 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--，爲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); //消費掉之後，將空格子數++ i = (i+1) % NUM; //藉助下標實現環形 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爲5 sem_init(&product_number, 0, 0); //產品數爲0 pthread_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
- 若是隊列中有數據，生產者不能生產，只能阻塞。
- 若是隊列中沒有數據，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滿表明滿格的信號量，S空表示空格的信號量，程序起始，格子必定爲空）。
因此有：
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。
- 那麼：
- T生1到達，將S空-1，生產，將S滿+1
- T生2到達，S空已經爲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生一、T生二、T消。而執行的順序是T生一、T消、T生2
- 這裏，【S空】表示空格子的總數，表明可佔用信號量的線程總數-->1。其實這樣的話，信號量就等同於互斥鎖。
- 但，若是S空=二、三、4……就不同了，該信號量同時能夠由多個線程佔用，再也不是互斥的形狀。所以咱們說信號量是互斥鎖的增強版。
- 【推演練習】：理解上述模型，推演，若是是兩個消費者，一個生產者，是怎麼樣的狀況。
【做業】：結合生產者消費者信號量模型，揣摩sem_timedwait函數做用。編程實現，一個線程讀用戶輸入，另外一個線程打印「hello world」。若是用戶無輸入，則每隔5秒向屏幕打印一個「hello world」；若是用戶有輸入，馬上打印「hello world」到屏幕。
- 規定
進程間同步
進程間也可使用互斥鎖，來達到同步的目的。但應在pthread_mutex_init初始化以前，修改其屬性爲進程間共享。mutex的屬性修改函數主要有如下幾個。
互斥量mutex
- 主要應用函數
- pthread_mutexattr_t mattr類型：用於定義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：銷燬mutex屬性對象（而非銷燬鎖）。
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的默認屬性即爲線程鎖，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); //修改屬性爲進程間共享 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); //銷燬mutex屬性對象 pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //銷燬mutex munmap(mm,sizeof(*mm)); //釋放映射區 return 0; }
文件鎖
- 藉助fcntl函數來實現鎖機制。操做文件的進程沒有得到鎖時，能夠打開，但沒法執行read、write操做。
- 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 */ ... };
- 參2：
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、寫獨佔「特性。但！如若進程不加鎖直接操做文件，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，是經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。所以，多線程中沒法使用文件鎖。
哲學家用餐模型分析
多線程版
- 選用互斥鎖mutex，如建立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本身第幾個哲學家，然後選定鎖，鎖住，吃飯。不然哲學家thinking。
5支筷子，在邏輯上造成環，分別對應5個哲學家。
A B C D E 0 1 2 3 4
因此有：
if(i == 4) left = i, right = 0; else left = i, right = i + 1;- 振盪：若是每一個人都攥着本身左手的鎖，嘗試去拿右手鎖，拿不到則將鎖釋放。過會兒五我的又同時再攥着左手鎖嘗試拿右手鎖，依然拿不到。如此往復造成另一種極端死鎖的現象--振盪。
- 避免振盪現象：只需5我的中，任意一我的，拿鎖的方向與其餘人相逆便可（如：E，原來：左：4，右：0；如今：左：0，右：4）。
因此以上if else語句應改成
if(i == 4) left = 0, right = i; else left = i, right = i + 1;然後，首先讓哲學家嘗試加左手鎖：
while(1){ pthread_mutex_lock(&m[left]); 若是加鎖成功，函數返回再加右手鎖，若是失敗，應當即釋放左手鎖，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，銷燬5把鎖，建立5個線程（並將i傳遞給線程主函數），回收5個線程。
- 避免死鎖的方法
- 一、當得不到全部所需資源時，放棄已經得到的資源，等待。
- 二、保證資源的獲取順序，要求每一個線程獲取資源的順序一致。如：A獲取順序一、二、3；B順序應也是一、二、3。若B爲三、二、1則易出現死鎖現象。
多進程版
- 相較於多線程需注意問題：
- 需注意如何共享信號量（注意：堅定不能使用全局變量sem_t s[5]）
- 實現：
- main函數中：
- 循環sem_init(&s[i], 0, 1); 將信號量初始值設爲1，信號量變爲互斥鎖。
- 循環sem_destroy(&s[i]);
- 循環建立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; else left = 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。 吃完後，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，試圖用於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]沒有差別。
- main函數中：
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