Linux 多线程控制详解

目录

多线程编临界资源访问

互斥锁 API 简述

初始化互斥量

互斥量加锁/解锁

互斥量加锁(非阻塞方式)

互斥量销毁

程序示例

多线程编执行顺序控制

信号量 API 简述

初始化信号量

信号量 P/V 操作

信号量申请(非阻塞方式)

信号量销毁

程序示例

条件变量

创建和销毁条件变量

等待条件变量

通知条件变量

程序示例

总结

线程使用流程图

互斥量使用流程图

信号量使用流程图


多线程编临界资源访问

当线程在运行过程中,去操作公共资源,如全局变量的时候,可能会发生彼 此“矛盾”现象。

例如线程 1 企图想让变量自增,而线程 2 企图想要变量自减, 两个线程存在互相竞争的关系导致变量永远处于一个“平衡状态”,两个线程互相竞争,线程 1 得到执行权后将变量自加,当线程 2 得到执行权后将变量自减, 变量似乎永远在某个范围内浮动,无法到达期望数值

如例程 9 所示

测试例程 9:(Phtread_txex9.c)

#define _GNU_SOURCE 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>


int Num = 0;

void *fun1(void *arg)
{
	while(Num < 3){
		Num++;
		printf("%s:Num = %d\n",__FUNCTION__,Num);
		sleep(1);
	}
	pthread_exit(NULL);
}

void *fun2(void *arg)
{
	while(Num > -3){
		Num--;
		printf("%s:Num = %d\n",__FUNCTION__,Num);
		sleep(1);
	}
	pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
	int ret;
	pthread_t tid1,tid2;
	ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,NULL);
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,NULL);
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);
	return 0;
}

运行结果:

为了解决上述对临界资源的竞争问题,pthread 线程引出了互斥锁来解决临界资源访问。通过对临界资源加锁来保护资源只被单个线程操作,待操作结束后解锁,其余线程才可获得操作权。

互斥锁 API 简述

多个线程都要访问某个临界资源,比如某个全局变量时,需要互斥地访问: 我访问时,你不能访问。

可以使用以下函数进行互斥操作。

初始化互斥量

函数原型如下:

int pthread_mutex_init(phtread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

该函数初始化一个互斥量,第一个参数是改互斥量指针,第二个参数为控制互斥量的属性,一般为 NULL。当函数成功后会返回 0,代表初始化互斥量成功。

当然初始化互斥量也可以调用宏来快速初始化,代码如下:

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITALIZER;

互斥量加锁/解锁

函数原型如下:

互斥量加锁(阻塞)/解锁

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

成功:返回 0

lock 函数与 unlock 函数分别为加锁解锁函数,只需要传入已经初始化好的 pthread_mutex_t 互斥量指针。成功后会返回 0。

当某一个线程获得了执行权后,执行 lock 函数,一旦加锁成功后,其余线 程遇到 lock 函数时候会发生阻塞,直至获取资源的线程执行 unlock 函数后。 unlock 函数会唤醒其他正在等待互斥量的线程。

特别注意的是,当获取 lock 之后,必须在逻辑处理结束后执行 unlock,否则会发生死锁现象!导致其余线程一直处于阻塞状态,无法执行下去。在使用互 斥量的时候,尤其要注意使用 pthread_cancel 函数,防止发生死锁现象!

互斥量加锁(非阻塞方式)

函数原型如下:

互斥量加锁(非阻塞)

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

该函数同样也是一个线程加锁函数,但该函数是非阻塞模式通过返回值来 判断是否加锁成功,用法与上述阻塞加锁函数一致。

互斥量销毁

函数原型如下:

互斥量销毁

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);

成功:返回 0

该函数是用于销毁互斥量的,传入互斥量的指针,就可以完成互斥量的销毁,成功返回 0。

程序示例

测试例程 10:(Phtread_txex10.c)

#define _GNU_SOURCE 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

pthread_mutex_t mutex; //互斥量变量 一般申请全局变量

int Num = 0; //公共临界变量

void *fun1(void *arg)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex); //加锁 若有线程获得锁,则会阻塞
	while(Num < 3){
		Num++;
		printf("%s:Num = %d\n",__FUNCTION__,Num);
		sleep(1);
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
	pthread_exit(NULL); //线程退出 pthread_join 会回收资源
}

void *fun2(void *arg)
{ 
	pthread_mutex_lock(&mutex); //加锁 若有线程获得锁,则会阻塞
	while(Num > -3){
		Num--;
		printf("%s:Num = %d\n",__FUNCTION__,Num);
		sleep(1);
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
	pthread_exit(NULL); //线程退出 pthread_join 会回收资源
}

int main()
{
	int ret;
	pthread_t tid1,tid2; 
	ret = pthread_mutex_init(&mutex,NULL); //初始化互斥量
	if(ret != 0){
		perror("pthread_mutex_init");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,NULL); //创建线程 1
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,NULL); //创建线程 2
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	pthread_join(tid1,NULL); //阻塞回收线程 1
	pthread_join(tid2,NULL); //阻塞回收线程 2
	pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁互斥量

	return 0;
}

运行结果:

上述例程通过加入互斥量,保证了临界变量某一时刻只被某一线程控制, 实现了临界资源的控制。需要说明的是,线程加锁在循环内与循环外的情况。

本历程在进入 while 循环前进行了加锁操作,在循环结束后进行的解锁操作, 如果将加锁解锁全部放入 while 循环内,作为单核的机器,执行结果无异,当有多核机器执行代码时,可能会发生“抢锁”现象,这取决于操作系统底层的实现。

多线程编执行顺序控制

解决了临界资源的访问,但似乎对线程的执行顺序无法得到控制,因线程都是无序执行,之前采用 sleep 强行延时的方法勉强可以控制执行顺序,但此方法在实际项目情况往往是不可取的,其仅仅可解决线程创建的顺序,当创建之后执行的顺序又不会受到控制,于是便引入了信号量的概念,解决线程执行顺序。

测试例程 11:(Phtread_txex11.c)

#define _GNU_SOURCE 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

void *fun1(void *arg)
{
	printf("%s:Pthread Come!\n",__FUNCTION__);
	pthread_exit(NULL);
}

void *fun2(void *arg)
{
	printf("%s:Pthread Come!\n",__FUNCTION__);
	pthread_exit(NULL);
}

void *fun3(void *arg)
{
	printf("%s:Pthread Come!\n",__FUNCTION__);
	pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
	int ret;
	pthread_t tid1,tid2,tid3;
	ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,NULL);
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,NULL);
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid3,NULL,fun3,NULL);
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);
	pthread_join(tid3,NULL);
	return 0;
}

运行结果:通过上述例程可以发现,多次执行该函数其次序是无序的,线程之间的竞 争无法控制,通过使用信号量来使得线程顺序为可控的。

信号量 API 简述

注意:信号量跟互斥量不一样,互斥量用来防止多个线程同时访问某个临界资源。信号量起通知作用,线程 A 在等待某件事,线程 B 完成了这件事后就 可以给线程 A 发信号。

初始化信号量

函数原型如下:

int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);

  • 该函数可以初始化一个信号量,第一个参数传入 sem_t 类型指针;
  • 第二个参数传入 0 代表线程控制,否则为进程控制;
  • 第三个参数表示信号量的初始值,0 代表阻塞,1 代表运行。
  • 待初始化结束信号量后,若执行成功会返回 0。

信号量 P/V 操作

函数原型如下:

#include <pthread.h>

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

成功:返回 0

  • sem_wait 函数作用为检测指定信号量是否有资源可用,若无资源可用会阻塞等待,若有资源可用会自动的执行“sem-1”的操作。所谓的“sem-1”是与上述 初始化函数中第三个参数值一致,成功执行会返回 0。
  • sem_post 函数会释放指定信号量的资源,执行“sem+1”操作。

通过以上 2 个函数可以完成所谓的 PV 操作,即信号量的申请与释放,完成 对线程执行顺序的控制。

信号量申请(非阻塞方式)

函数原型如下:

#include <pthread.h>

int sem_trywait(sem_t *sem);

成功:返回 0

此函数是信号量申请资源的非阻塞函数,功能与 sem_wait 一致,唯一区别在于此函数为非阻塞。

信号量销毁

函数原型如下:

#include <pthread.h>

int sem_destory(sem_t *sem);

成功:返回 0

该函数为信号量销毁函数,执行过后可将信号量进行销毁

程序示例

测试例程 12:(Phtread_txex12.c)

#define _GNU_SOURCE 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <semaphore.h>

sem_t sem1,sem2,sem3;//申请的三个信号量变量

void *fun1(void *arg)
{
	sem_wait(&sem1);//因sem1本身有资源,所以不被阻塞 获取后sem1-1 下次会会阻塞
	printf("%s:Pthread Come!\n",__FUNCTION__);
	sem_post(&sem2);// 使得sem2获取到资源
	pthread_exit(NULL);
}

void *fun2(void *arg)
{
	sem_wait(&sem2);//因sem2在初始化时无资源会被阻塞,直至14行代码执行 不被阻塞 sem2-1 下次会阻塞
	printf("%s:Pthread Come!\n",__FUNCTION__);
	sem_post(&sem3);// 使得sem3获取到资源
	pthread_exit(NULL);
}

void *fun3(void *arg)
{
	sem_wait(&sem3);//因sem3在初始化时无资源会被阻塞,直至22行代码执行 不被阻塞 sem3-1 下次会阻塞
	printf("%s:Pthread Come!\n",__FUNCTION__);
	sem_post(&sem1);// 使得sem1获取到资源
	pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
	int ret;
	pthread_t tid1,tid2,tid3;
	ret = sem_init(&sem1,0,1);  //初始化信号量1 并且赋予其资源
	if(ret < 0){
		perror("sem_init");
		return -1;
	}
	ret = sem_init(&sem2,0,0); //初始化信号量2 让其阻塞
	if(ret < 0){
		perror("sem_init");
		return -1;
	}
	ret = sem_init(&sem3,0,0); //初始化信号3 让其阻塞
	if(ret < 0){
		perror("sem_init");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,NULL);//创建线程1
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,NULL);//创建线程2
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	ret = pthread_create(&tid3,NULL,fun3,NULL);//创建线程3
	if(ret != 0){
		perror("pthread_create");
		return -1;
	}
	/*回收线程资源*/
	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);
	pthread_join(tid3,NULL);

	/*销毁信号量*/
	sem_destroy(&sem1);
	sem_destroy(&sem2);
	sem_destroy(&sem3);

	return 0;
}

运行结果:

该例程加入了信号量,使得线程的执行顺序变为可控的。在初始化信号量时, 将信号量 1 填入资源,第一个线程调用 sem_wait 函数可以成功获得信号量,在 执行完逻辑后使用 sem_pos 函数来释放。当执行函数 sem_wait 后,会执行 sem 自减操作,使下一次竞争被阻塞,直至通过 sem_pos 被释放

上述例程因 38 行初始化信号量 1 时候,使其默认获取到资源;

第 43、48 行 初始化信号量 2、3 时候,使之没有资源。于是在线程处理函数中,每个线程通过 sem_wait 函数来等待资源,发生阻塞。因信号量 1 初始值为有资源,故可以 先执行线程 1 的逻辑。待执行完第 12 行 sem_wait 函数,会导致 sem1-1,使得 下一次此线程会被阻塞。继而执行至 14 行,通过 sem_post 函数使 sem2 信号量 获取资源,从而冲破阻塞执行线程 2 的逻辑...以此类推完成线程的有序控制。

条件变量

条件变量时一种同步机制,用来通知其他线程条件满足了。一般是用来通知对方共享数据的状态信息,因此条件变量是结合互斥量来使用的。

创建和销毁条件变量

函数原型如下:

#include <pthread.h>

// 初始化条件变量 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);//cond_attr 通常为 NULL

// 销毁条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

这些函数成功时都返回 0

等待条件变量

函数原型如下:

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

这需要结合互斥量一起使用,示例代码如下:

pthread_mutex_lock(&g_tMutex);

// 如果条件不满足则,会 unlock g_tMutex

// 条件满足后被唤醒,会 lock g_tMutex pthread_cond_wait(&g_tConVar, &g_tMutex);

/* 操作临界资源 */

pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);

通知条件变量

函数原型如下:

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_signal 函数只会唤醒一个等待 cond 条件变量的线程,示例代码如下:

pthread_cond_signal(&g_tConVar);

程序示例

总结

线程使用流程图

有关多线程的创建流程如图 所示,首先需要创建线程,一旦线程创 建完成后,线程与线程之间会发生竞争执行,抢占时间片来执行线程逻辑。在 创建线程时候,可以通过创建线程的第四个参数传入参数,在线程退出时亦可 传出参数被线程回收函数所回收,获取到传出的参数。

互斥量使用流程图

当多个线程出现后,会遇到同时操作临界公共资源的问题,当线程操作公 共资源时需要对线程进行保护加锁,防止其与线程在此线程更改变量时同时更 改变量,待逻辑执行完毕后再次解锁,使其余线程再度开始竞争。互斥锁创建 流程下图所示。

信号量使用流程图

当多个线程出现后,同时会遇到无序执行的问题。有时候需要对线程的执行顺序做出限定,变引入了信号量,通过 PV 操作来控制线程的执行顺序,如下图所示

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