linux-多執行緒

查志強發表於2014-06-12

【原文：http://blog.csdn.net/lanyan822/article/details/7586845】

一、什麼是執行緒？

執行緒是程式的一個實體，是CPU排程和分派的基本單位，它是比程式更小的能獨立執行的基本單位。執行緒自己基本上不擁有系統資源，只擁有一點在執行中必不可少的資源(如程式計數器，一組暫存器和棧)，但是它可與同屬一個程式的其他的執行緒共享程式所擁有的全部資源。

二、什麼時候使用多執行緒？

當多個任務可以並行執行時，可以為每個任務啟動一個執行緒。

三、執行緒的建立

使用pthread_create函式。

[cpp] view plain copy print ?

#include<pthread.h>
int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新建立的執行緒ID
__const pthread_attr_t *__restrict __attr,//執行緒屬性
void *(*__start_routine) (void *),//新建立的執行緒從start_routine開始執行
void *__restrict __arg)//執行函式的引數

#include<pthread.h>
int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新建立的執行緒ID
			   __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//執行緒屬性
			   void *(*__start_routine) (void *),//新建立的執行緒從start_routine開始執行
			   void *__restrict __arg)//執行函式的引數

返回值：成功-0，失敗-返回錯誤編號，可以用strerror(errno)函式得到錯誤資訊

四、執行緒的終止

三種方式

執行緒從執行函式返回，返回值是執行緒的退出碼
執行緒被同一程式的其他執行緒取消
呼叫pthread_exit()函式退出。這裡不是呼叫exit，因為執行緒呼叫exit函式，會導致執行緒所在的程式退出。

一個小例子：

啟動兩個執行緒，一個執行緒對全域性變數num執行加1操作，執行五百次，一個執行緒對全域性變數執行減1操作，同樣執行五百次。

[cpp] view plain copy print ?

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int num=0;
void *add(void *arg) {//執行緒執行函式，執行500次加法
int i = 0,tmp;
for (; i <500; i++)
{
tmp=num+1;
num=tmp;
printf("add+1,result is:%d\n",num);
}
return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)//執行緒執行函式，執行500次減法
{
int i=0,tmp;
for(;i<500;i++)
{
tmp=num-1;
num=tmp;
printf("sub-1,result is:%d\n",num);
}
return ((void *)0);
}
int main(int argc, char** argv) {
pthread_t tid1,tid2;
int err;
void *tret;
err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//建立執行緒
if(err!=0)
{
printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
exit(-1);
}
err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);
if(err!=0)
{
printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
exit(-1);
}
err=pthread_join(tid1,&tret);//阻塞等待執行緒id為tid1的執行緒，直到該執行緒退出
if(err!=0)
{
printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
exit(-1);
}
printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);
err=pthread_join(tid2,&tret);
if(err!=0)
{
printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
exit(-1);
}
printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);
return 0;
}

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

int num=0;
void *add(void *arg) {//執行緒執行函式，執行500次加法
    int i = 0,tmp;
    for (; i <500; i++)
    {
        tmp=num+1;
        num=tmp;
        printf("add+1,result is:%d\n",num);
    }
    return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)//執行緒執行函式，執行500次減法
{
    int i=0,tmp;
    for(;i<500;i++)
    {
        tmp=num-1;
        num=tmp;
        printf("sub-1,result is:%d\n",num);
    }
    return ((void *)0);
}
int main(int argc, char** argv) {
    
    pthread_t tid1,tid2;
    int err;
    void *tret;
    err=pthread_create(&tid1,NULL,add,NULL);//建立執行緒
    if(err!=0)
    {
        printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
        exit(-1);
    }
    err=pthread_create(&tid2,NULL,sub,NULL);
    if(err!=0)
    {
        printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));
         exit(-1);
    }
    err=pthread_join(tid1,&tret);//阻塞等待執行緒id為tid1的執行緒，直到該執行緒退出
    if(err!=0)
    {
        printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
        exit(-1);
    }
    printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);
    err=pthread_join(tid2,&tret);
    if(err!=0)
    {
        printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));
        exit(-1);
    }
    printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);
    return 0;
}

使用g++編譯該檔案（g++ main.cpp -o main)。此時會報錯undefined reference to `pthread_create'。

報這個錯誤的原因是：pthread庫不是linux預設的庫，所以在編譯時候需要指明libpthread.a庫。

解決方法：在編譯時，加上-lpthread引數。

執行結果：

乍一看，結果是對的，加500次，減500次，最後結果為0。但是仔細看所有的輸出，你會發現有異樣的東西。

導致這個不和諧出現的原因是，兩個執行緒可以對同一變數進行修改。假如執行緒1執行tmp=50+1後，被系統中斷，此時執行緒2對num=50執行了減一操作，當執行緒1恢復，在執行num=tmp=51。而正確結果應為50。所以當多個執行緒對共享區域進行修改時，應該採用同步的方式。

五、執行緒同步

執行緒同步的三種方式：

1、互斥量

互斥量用pthread_mutex_t資料型別來表示。

兩種方式初始化，第一種：賦值為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；第二種，當互斥量為動態分配是，使用pthread_mutex_init函式進行初始化，使用pthread_mutex_destroy函式銷燬。

[cpp] view plain copy print ?

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,
__const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,
			       __const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);

返回值：成功-0，失敗-錯誤編號

加解鎖

加鎖呼叫pthread_mutex_lock,解鎖呼叫pthread_mutex_unlock。

[cpp] view plain copy print ?

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex)；
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex)；

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex)；
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex)；

使用互斥量修改上一個程式（修改部分用紅色標出）：

pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *add(void *arg) {
int i = 0,tmp;
for (; i <500; i++)
{
pthread_mutex_lock(&mylock);
tmp=num+1;
num=tmp;
printf("+1,result is:%d\n",num);
pthread_mutex_unlock(&mylock);
}
return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)
{
int i=0,tmp;
for(;i<500;i++)
{
pthread_mutex_lock(&mylock);
tmp=num-1;
num=tmp;
printf("-1,result is:%d\n",num);
pthread_mutex_unlock(&mylock);
}
return ((void *)0);
}

2、讀寫鎖

允許多個執行緒同時讀，只能有一個執行緒同時寫。適用於讀的次數遠大於寫的情況。

讀寫鎖初始化：

[cpp] view plain copy print ?

#include<pthread.h>
int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,
__const pthread_rwlockattr_t *__restrict
__attr);
int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);

#include<pthread.h>
int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock,
				__const pthread_rwlockattr_t *__restrict
				__attr);
int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);

返回值：成功--0，失敗-錯誤編號

加鎖，這裡分為讀加鎖和寫加鎖。

讀加鎖：

[cpp] view plain copy print ?

int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

寫加鎖：

[cpp] view plain copy print ?

int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

解鎖用同一個函式：

[cpp] view plain copy print ?

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

3、條件變數

條件變數用pthread_cond_t資料型別表示。

條件變數本身由互斥量保護，所以在改變條件狀態前必須鎖住互斥量。

條件變數初始化：

第一種，賦值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER；第二種，使用pthread_cond_init函式

[cpp] view plain copy print ?

int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,
__const pthread_condattr_t *__restrict
__cond_attr);
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);

int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,
			      __const pthread_condattr_t *__restrict
			      __cond_attr);
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);

條件等待

使用pthread_cond_wait等待條件為真。

[cpp] view plain copy print ?

pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,
pthread_mutex_t *__restrict __mutex)

 pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,
			      pthread_mutex_t *__restrict __mutex)

這裡需要注意的是，呼叫pthread_cond_wait傳遞的互斥量已鎖定，pthread_cond_wait將呼叫執行緒放入等待條件的執行緒列表，然後釋放互斥量，在pthread_cond_wait返回時，再次鎖定互斥量。

喚醒執行緒

pthread_cond_signal喚醒等待該條件的某個執行緒，pthread_cond_broadcast喚醒等待該條件的所有執行緒。

[cpp] view plain copy print ?

int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)

int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);

int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)

來一個例子，主執行緒啟動4個執行緒，每個執行緒有一個引數i（i=生成順序），無論執行緒的啟動順序如何，執行順序只能為，執行緒0、執行緒1、執行緒2、執行緒3。

[cpp] view plain copy print ?

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define DEBUG 1
int num=0;
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void * thread_func(void *arg)
{
int i=(int)arg;
int ret;
sleep(5-i);//執行緒睡眠,然最先生成的執行緒，最後甦醒
pthread_mutex_lock(&mylock);//呼叫pthread_cond_wait前，必須獲得互斥鎖
while(i!=num)
{
#ifdef DEBUG
printf("thread %d waiting\n",i);
#endif
ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//該函式把執行緒放入等待條件的執行緒列表，然後對互斥鎖進行解鎖，這兩部都是原子操作。並且在pthread_cond_wait返回時，互斥量再次鎖住。
if(ret==0)
{
#ifdef DEBUG
printf("thread %d wait success\n",i);
#endif
}else
{
#ifdef DEBUG
printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));
#endif
}
}
printf("thread %d is running \n",i);
num++;
pthread_mutex_unlock(&mylock);//解鎖
pthread_cond_broadcast(&qready);//喚醒等待該條件的所有執行緒
return (void *)0;
}
int main(int argc, char** argv) {
int i=0,err;
pthread_t tid[4];
void *tret;
for(;i<4;i++)
{
err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);
if(err!=0)
{
printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));
exit(-1);
}
}
for (i = 0; i < 4; i++)
{
err = pthread_join(tid[i], &tret);
if (err != 0)
{
printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));
exit(-1);
}
}
return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define DEBUG 1

int num=0;
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void * thread_func(void *arg)
{
    int i=(int)arg; 
    int ret;
    sleep(5-i);//執行緒睡眠,然最先生成的執行緒，最後甦醒
    pthread_mutex_lock(&mylock);//呼叫pthread_cond_wait前，必須獲得互斥鎖
    while(i!=num)
    {
#ifdef DEBUG
        printf("thread %d waiting\n",i);
#endif
        ret=pthread_cond_wait(&qready,&mylock);//該函式把執行緒放入等待條件的執行緒列表，然後對互斥鎖進行解鎖，這兩部都是原子操作。並且在pthread_cond_wait返回時，互斥量再次鎖住。
        if(ret==0)
        {
#ifdef DEBUG
            printf("thread %d wait success\n",i);
#endif
        }else
        {
#ifdef DEBUG
            printf("thread %d wait failed:%s\n",i,strerror(ret));
#endif
        }
    }
    printf("thread %d is running \n",i);
    num++;
    pthread_mutex_unlock(&mylock);//解鎖
    pthread_cond_broadcast(&qready);//喚醒等待該條件的所有執行緒
    return (void *)0;
}
int main(int argc, char** argv) {
    
    int i=0,err;
    pthread_t tid[4];
    void *tret;
    for(;i<4;i++)
    {
        err=pthread_create(&tid[i],NULL,thread_func,(void *)i);
        if(err!=0)
        {
            printf("thread_create error:%s\n",strerror(err));
            exit(-1);
        }
    }
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        err = pthread_join(tid[i], &tret);
        if (err != 0)
        {
            printf("can not join with thread %d:%s\n", i,strerror(err));
            exit(-1);
        }
    }
    return 0;
}

在非DEBUG模式，執行結果如圖所示：

在DEBUG模式，執行結果如圖所示:

在DEBUG模式可以看出，執行緒3先被喚醒，然後執行pthread_cond_wait（輸出thread 3 waiting)，此時在pthread_cond_wait中先解鎖互斥量，然後進入等待狀態。這是thread 2加鎖互斥量成功，進入pthread_cond_wait(輸出thread 2 waiting） ,同樣解鎖互斥量，然後進入等待狀態。直到執行緒0，全域性變數與執行緒引數i一致，滿足條件，不進入條件等待，輸出thread 0 is running。全域性變數num執行加1操作，解鎖互斥量，然後喚醒所有等待該條件的執行緒。thread 3 被喚醒，輸出thread 3 wait success。但是不滿足條件，再次執行pthread_cond_wait。如此執行下去，滿足條件的執行緒執行，不滿足條件的執行緒等待。

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linux-多執行緒

一、什麼是執行緒？

二、什麼時候使用多執行緒？

三、執行緒的建立

四、執行緒的終止

五、執行緒同步

1、互斥量

2、讀寫鎖

3、條件變數

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