15-LINUX--线程的创建与同步

2024-05-09 19:08
jvm, java, 运维, linux, 服务器
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一.线程

1.线程的概念

线程是进程内部的一条执行序列或执行路径，一个进程可以包含多条线程。

2.线程的三种实现方式

◼ 内核级线程：由内核创建，创建开销大，内核能感知到线程的存在

◼ 用户级线程：线程的创建有用户空间的线程库完成；内核不知道线程的存在

◼ 组合级线程：兼顾以上两者的优点，

区别：两个处理器，用户级线程在内核上无法并行处理，只能交替执行；内核级可以同时执行；组合技在不同的空间采用不同的处理方式

线程同步的方法：信号量，互斥锁，条件变量，读写锁

Ps -elf 查看线程ID

Linux 中线程的实现：

Linux 实现线程的机制非常独特。从内核的角度来说，它并没有线程这个概念。Linux 把

所有的线程都当做进程来实现。内核并没有准备特别的调度算法或是定义特别的数据结构来

表征线程。相反，线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程。每个线程都拥有唯

一隶属于自己的 task_struct，所以在内核中，它看起来就像是一个普通的进程（只是线程和

其他一些进程共享某些资源，如地址空间）。

3.进程与线程的区别

◼ 进程是资源分配的最小单位，线程是 CPU 调度的最小单位

◼ 进程有自己的独立地址空间，线程共享进程中的地址空间

◼ 进程的创建消耗资源大，线程的创建相对较小

◼ 进程的切换开销大，线程的切换开销相对较小

二.线程使用

1.线程库

 #include <pthread.h>

 /*
     pthread_create()用于创建线程
     thread： 接收创建的线程的 ID
     attr： 指定线程的属性
     start_routine： 指定线程函数
     arg： 给线程函数传递的参数
     成功返回 0， 失败返回错误码
 */
 int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
 void *(*start_routine) (void *), void *arg);13.
 /*
     pthread_exit()退出线程
     retval：指定退出信息
 */
 int pthread_exit(void *retval);

 /*
     pthread_join()等待 thread 指定的线程退出，线程未退出时，该方法阻塞
     retval：接收 thread 线程退出时，指定的退出信息
*/
 int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

多线程代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

 void * pthread_fun(void *arg)
 {
     int i = 0;
     for(; i < 5; ++i)
     {
         sleep(1);
     printf("fun thread running\n");
    }

     pthread_exit("fun over");
 }

 int main()
 {
     pthread_t tid;
     int res = pthread_create(&tid, NULL, pthread_fun, NULL);
     assert(res == 0);

     int i = 0;
     for(; i < 5; ++i)
     {
         sleep(1);
         printf("main thread running\n");
    }

     char *s = NULL;
     pthread_join(tid, (void **)&s);

     printf("s = %s\n", s);
     exit(0);
 }

三.线程同步

线程同步指的是当一个线程在对某个临界资源进行操作时，其他线程都不可以对这个资

源进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能操作，也就是协同步调，让线程按预定的

先后次序进行运行。线程同步的方法有四种：互斥锁、信号量、条件变量、读写锁。

1.互斥锁

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexattr_t *attr);//初始化锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//上锁，其他线程无法使用

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//开锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);//销毁锁

为什么线程需要同步和互斥的操作？
因为线程引入共享了进程的地址空间，导致了一个线程操作数据时候，极其容易影响到其他线程的情况；对其他线程造成不可控因素，或引起异常，逻辑结果不正确的情况；这也是线程不安全的原因！

重点概念：

示例代码如下，主线程和函数线程模拟访问打印机，主线程输出第一个字符‘a’表示开

始使用打印机，输出第二个字符‘a’表示结束使用，函数线程操作与主线程相同。（由于打

印机同一时刻只能被一个线程使用，所以输出结果不应该出现 abab）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

//sem_t sem;
pthread_mutex_t mutex;
void* fun1(void* arg)
{
        for(int i=0;i<5;i++)
        {
                //sem_wait(&sem);
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                printf("A");
                fflush(stdout);
                int n=rand()%3;
                sleep(n);
                printf("A");
                fflush(stdout);
                //sem_post(&sem);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                n=rand()%3;
                sleep(n);
        }
}
void* fun2(void* arg)
{
        for(int i=0;i<5;i++)
        {
                //sem_wait(&sem);
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                printf("B");
                fflush(stdout);
                int n=rand()%3;
                sleep(n);
                printf("B");
                fflush(stdout);
                //sem_post(&sem);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                n=rand()%3;
                sleep(n);
        }

}
int main()
{

        //sem_init(&sem,0,1);
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        pthread_t id1,id2;
        pthread_create(&id1,NULL,fun1,NULL);
        pthread_create(&id2,NULL,fun2,NULL);
        pthread_join(id1,NULL);
        pthread_join(id2,NULL);

        //sem_destroy(&sem);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        exit(0);
}

2.信号量

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>

 char buff[128] = {0};
 sem_t sem1;
 sem_t sem2;

void* PthreadFun(void *arg)
{
     int fd = open("a.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0664);
     assert(fd != -1);

 //函数线程完成将用户输入的数据存储到文件中
     while(1)
     {
         sem_wait(&sem2);
         if(strncmp(buff, "end", 3) == 0)
         {
             break;
         }

         write(fd, buff, strlen(buff));

         memset(buff, 0, 128);
         sem_post(&sem1);
     }
     sem_destroy(&sem1);
     sem_destroy(&sem2);
 }

 int main()
 {
     sem_init(&sem1, 0, 1);
     sem_init(&sem2, 0, 0);

     pthread_t id;
     int res = pthread_create(&id, NULL, PthreadFun, NULL);
     assert(res == 0);

 //主线程完成获取用户数据的数据，并存储在全局数组 buff 中
    while(1)
     {
         sem_wait(&sem1);

         printf("please input data: ");
         fflush(stdout);

         fgets(buff, 128, stdin);
         buff[strlen(buff) - 1] = 0;

        sem_post(&sem2);

         if(strncmp(buff, "end", 3) == 0)
         {
             break;
        }
         }

     pthread_exit(NULL);
 }

3.条件变量

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。
主要包括两个动作：一个线程等待”条件变量的条件成立”而挂起；另一个线程使”条件成立”（给出条件成立信号）。
为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。
条件变量类型为 pthread_cond_t。

条件变量接口

pthread_cond_init()       //初始化
pthread_cond_wait()       //等待将信息存入并等待达到唤醒条件
pthread_cond_signal()     //只唤醒一个
pthread_cond_broadcast()  //唤醒所以有的线程

条件变量有什么用

使用条件变量可以以原子方式阻塞线程，直到某个特定条件为真为止。条件变量始终与互斥锁一起使用，对条件的测试是在互斥锁（互斥）的保护下进行的。

如果条件为假，线程通常会基于条件变量阻塞，并以原子方式释放等待条件变化的互斥锁。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
void* funa(void* arg)
{
        char* s =(char*)arg;
        while(1)
        {
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                pthread_cond_wait(&cond,&mutex);//添加到条件变量的等待队列,阻塞
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                if(strncmp(s,"end",3)==0)
                {
                        break;
                }

                printf("funa:%s\n",s);
        }
}
void* funb(void* arg)
{
        char* s =(char*)arg;
        while(1)
        {
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                pthread_cond_wait(&cond,&mutex);//添加到条件变量的等待队列,阻塞
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                if(strncmp(s,"end",3)==0)
                {
                        break;
                }

                printf("funb:%s\n",s);
        }

}
int main()
{
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        pthread_cond_init(&cond,NULL);

        pthread_t id1,id2;
        char buff[128]={0};
        pthread_create(&id1,NULL,funa,buff);
        pthread_create(&id2,NULL,funb,buff);

        while(1)
        {
                char tmp[128]={0};
                fgets(tmp,128,stdin);

                strcpy(buff,tmp);
                if(strncmp(tmp,"end",3)==0)
                {
                        pthread_mutex_lock(&mutex);
                        pthread_cond_broadcast(&cond);//唤醒所有线程
                        pthread_mutex_unlock(&mutex);
                        break;
                }
                else
                {
                        pthread_mutex_lock(&mutex);
                        pthread_cond_signal(&cond);//唤醒一个
                        pthread_mutex_unlock(&mutex);
                }
        }
        pthread_join(id1,NULL);
        pthread_join(id2,NULL);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        pthread_cond_destroy(&cond);

        exit(0);
}

4.读写锁

读写锁：是一对锁，分为读锁和写锁，允许多个线程同时获取读写锁，但再通过一时间，只允许一个线程获得写锁，或者可以由多个线程获得读锁

接口：

#include <pthread.h>

 int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, pthread_rwlockattr_t *attr);

 int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

 int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

 int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

 int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

代码示例

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

pthread_rwlock_t lock;

void* fun_r1(void* arg)
{
        for(int i=0;i<10;i++)
        {
                pthread_rwlock_rdlock(&lock);
                printf("fun r1 start\n");
                int n=rand()%3;
                sleep(n);
                printf("fun r1 end\n");
                pthread_rwlock_unlock(&lock);
                n=rand()%3;
                sleep(n);
        }
}

void* fun_r2(void* arg)
{
        for(int i=0;i<10;i++)
        {
                pthread_rwlock_rdlock(&lock);
                printf("fun r2 start\n");
                int n=rand()%3;
                sleep(n);
                printf("fun r2 end\n");
                pthread_rwlock_unlock(&lock);
                n=rand()%3;
                sleep(n);
        }

}

void* fun_w(void* arg)
{
        for(int i=0;i<10;i++)
        {
                pthread_rwlock_wrlock(&lock);
                printf(" fun w start\n");
                int n=rand()%3;
                sleep(n);
                printf(" fun w end\n");
                pthread_rwlock_wrlock(&lock);
                n = rand()%3;
                sleep(n);
        }
}

int main()
{
        pthread_rwlock_init(&lock,NULL);
        pthread_t id1,id2,id3;
        pthread_create(&id1,NULL,fun_r1,NULL);
        pthread_create(&id2,NULL,fun_r2,NULL);
        pthread_create(&id3,NULL,fun_w,NULL);

        pthread_join(id1,NULL);
        pthread_join(id2,NULL);
        pthread_join(id3,NULL);

        pthread_rwlock_destroy(&lock);

        exit(0);
}