linux并发服务器 —— 多线程并发（六）

线程概述

同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域；

进程是CPU分配资源的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位；

Linux环境下，线程的本质就是进程；

ps -Lf pid：查指定进程LWP号（线程号）

线程和进程的区别

1. 进程间的信息难以共享，除只读代码段，父子进程并未共享内存；

线程共享信息方便快速（进程、父进程、进程组、会话ID，文件描述符表，当前工作目录，文件权限掩码，虚拟地址空间（除栈、.text））；但超线程ID、信号掩码、error变量、调度策略和优先级、栈、本地变量不共享；

2. fork创建进程代价较高

创建线程比创建进程快一个数量级以上

线程操作

/*
    #include <pthread.h>
    一般情况下，main所在线程为主线程/main线程，其余都成为子线程

    pthread_t pthread_self(void);
        功能：获取当前线程ID

    int pthread equal(pthread_t tl,pthread_t t2);
        功能：比较两个线程号是否相等
            不同操作系统，pthread_t类型实现不一样，有可能是结构体
    int pthread_create(pthread t *thread, const pthread attr t *attr,
            void *(*start_routine) (void *)， void *arg);
        功能：创建一个子线程（调度的基本单位）
        参数：
            thread - 传出参数：线程创建成功，子线程ID会写入该变量
            attr - 设置线程的属性，默认值 - NULL
            start_rountine - 函数指针，子线程需要处理的逻辑代码
            arg - 给start_rountine使用，传参
        返回值：
            成功 - 0
            失败 - 错误号，与errno不同；
                获取错误号信息：char* strerror(int errnum);

    void pthread_exit(void *retval);
        功能：终止一个当前调用线程
        参数：
            retval - 传递一个指针，作为一个返回值，可以在pthread_join中获取
        返回值： 没有任何返回值

    int pthread_join(pthread_t thread,void **retval);
        功能：和一个已经终止的线程进行连接
            回收子线程的资源
            这个函数是阻塞函数，调用一次只能回收一个子线程
            一般在主线程中去使用
        参数：
            thread - 需要回收的子线程ID
            retval - 接收子线程退出的返回值
        返回值：
            成功 - 0
            失败 - ！0
    int pthread_detach(pthread_t thread);
        功能：分离一个线程，将线程标记分离，线程终止时自动释放资源给系统
            1. 不能多次分离，不可预料
            2. 不能去连接一个已经分离的线程，会报错（join）
        参数：需要分离的线程ID
        返回值：
            成功 - 0
            失败 - error
    int pthread_cancel(pthread_t thread);
        功能：取消线程（让线程终止），中途暂停！
            但并不是立马终止，而是当一个子线程执行到一个取消点，线程才会终止
            取消点：系统规定好的一些系统调用，可以粗略认为是用户去到内核区的切换这个位置
*/

创建线程

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void* callback(void *arg){
    cout<<"子线程...."<<*((int*)arg)<<endl;
    return NULL;
}

int main(){
    pthread_t tid;
    int num = 10;
    int ret = pthread_create(&tid , NULL , callback , (void*)&num);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error: "<<str<<endl;
    }

    for(int i = 0 ; i<5 ; i++){
        cout<<i<<endl;
    }

    sleep(1);

    return 0;
}

终止线程

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void* callback(void *arg){
    char buf[1024];
    sprintf(buf , "子线程....%ld" , pthread_self());
    cout<<buf<<endl;
    return NULL;
}

int main(){

    // 创建子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid , NULL , callback , NULL);

    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<str<<endl;
    }

    for(int i = 0 ; i<100 ; i++){
        cout<<i<<endl;
    }


    cout<<"子线程...."<<tid<<endl;

    cout<<"主线程...."<<pthread_self()<<endl;

    pthread_exit(NULL);// 主线程退出不会影响正常运行的线程

    return 0; // 进程退出 所有子线程立刻终止
}

链接已终止的线程

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int val = 10;

void* callback(void *arg){
    char buf[1024];
    sprintf(buf , "子线程....%ld" , pthread_self());
    cout<<buf<<endl;
    // sleep(3);
    // return NULL; // pthread_exit(NULL);
    // int val = 10; // 局部变量
    pthread_exit((void*)&val);
}

int main(){

    // 创建子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid , NULL , callback , NULL);

    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<str<<endl;
    }

    for(int i = 0 ; i<5 ; i++){
        cout<<i<<endl;
    }


    cout<<"子线程...."<<tid<<endl;

    cout<<"主线程...."<<pthread_self()<<endl;

    int* ptr;

    if(pthread_join(tid , (void **)&ptr) != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<str<<endl;
    }

    cout<<"回收子线程成功: "<<*(int *)ptr<<endl;
    pthread_exit(NULL);// 主线程退出不会影响正常运行的线程

    return 0; // 进程退出 所有子线程立刻终止
}

线程分离

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void* callback(void* arg){
    cout<<"我的ID: "<<pthread_self()<<endl;
    return NULL;
}

int main(){
    // 创建
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid , NULL , callback , NULL);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error1: "<<str<<endl;
    }

    cout<<"父线程："<<pthread_self()<<"子线程："<<tid<<endl;

    //子线程分离
    ret = pthread_detach(tid);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error2: "<<str<<endl;
    }

    //对分离子线程进行连接
    ret = pthread_join(tid,NULL);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error3: "<<str<<endl;
    }

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

线程取消

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void* callback(void* arg){
    cout<<"我的ID: "<<pthread_self()<<endl;
    for(int i = 0 ; i<5 ; i++){
        cout<<"子线程："<<i<<endl;
    }
    return NULL;
}

int main(){
    // 创建
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid , NULL , callback , NULL);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error1: "<<str<<endl;
    }

    // 取消线程
    pthread_cancel(tid);

    for(int i = 0 ; i<10 ; i++){
        cout<<i<<endl;
    }

    cout<<"父线程："<<pthread_self()<<"子线程："<<tid<<endl;

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

线程属性

/*
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
    初始化线程属性变量

int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
    释放线程属性资源

int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attq_t *attr, int* detachstate);
    获取线程分离的状态属性

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
    设置线程分离的状态属性

*/

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void* callback(void* arg){
    cout<<"我的ID: "<<pthread_self()<<endl;
    return NULL;
}

int main(){
    // 创建线程属性变量
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr , PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    // 获取线程栈的大小
    size_t size;
    pthread_attr_getstacksize(&attr , &size);
    cout<<"子线程占空间大小："<<size<<endl;

    // 创建
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid , &attr , callback , NULL);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error1: "<<str<<endl;
    }

    cout<<"父线程："<<pthread_self()<<"子线程："<<tid<<endl;

    pthread_attr_destroy(&attr);

    ret = pthread_join(tid,NULL);
    if(ret != 0){
        char* str = strerror(ret);
        cout<<"error3: "<<str<<endl;
    }


    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

线程同步

必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量；

临界区是指访问某一共享资源的代码片段，这段代码的执行应该为原子操作（不能分割）；

互斥锁

使用互斥锁来确保仅有一个线程可以访问某项共享资源，保证原子访问；

互斥锁由两种状态：锁定/未锁定，试图对锁定的互斥锁再加锁会导致线程阻塞/报错，取决于加锁使用的方法；

线程加锁成为互斥锁的所有者，只有所有者才能解锁；

/*
互斥量的类型 pthread_mutex_t
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex
    const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    功能：初始化互斥锁
    参数：
        mutex - 需要初始化的互斥锁
        attr - 互斥锁相关属性 NULL
    restric - C语言修饰符，被修饰的指针不能由另外的指针进行操作
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    释放互斥量的资源
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    加锁 ， 如果有线程已经加锁，只能阻塞等待
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
    尝试加锁，加锁失败不会阻塞，会直接返回
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    释放锁
*/

死锁

多个进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象；

导致死锁的三个主要原因：

1. 加锁忘记释放

2. 重复枷锁

3. 线程之间对于锁循环等待

读写锁

读写锁允许多个读出，但只允许一个写入：

1. 如果有其他线程读数据，则允许其他线程执行读操作，但不允许写操作；

2. 有其他线程写数据，则其他线程不允许读/写；

3. 写是独占的，写的优先级高；

/*
    读写锁的类型 pthread_rwlock_t
    int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
        const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
    int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
*/
// 案例：创建8个线程，操作同一个全局变量；
//      3个线程不定时写一个全局变量，其余5个线程不定时读全局变量
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int num = 1;
// pthread_mutex_t mutex;
pthread_rwlock_t rwlock;

void* wnum(void* arg){
    while(1){
        // pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        num++;
        printf("++write , tid: %ld , num : %d\n" , pthread_self() , num);
        // pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }

    return NULL;
}

void* rnum(void* arg){

    while(1){
        // pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("read , tid: %ld , num : %d\n" , pthread_self() , num);
        // pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }

    return NULL;
}

int main(){

    // pthread_mutex_init(&mutex , NULL);
    pthread_rwlock_init(&rwlock , NULL);

    // 创建3个写线程 5个读线程
    pthread_t wtids[3] , rtids[5];

    for(int i = 0 ; i<3 ; i++){
        pthread_create(&wtids[i] , NULL , wnum , NULL);
    }

    for(int i = 0 ; i<5 ; i++){
        pthread_create(&rtids[i] , NULL , rnum , NULL);
    }

    // 设置线程分离
    for(int i = 0 ; i<3 ; i++){
        pthread_detach(wtids[i]);
    }

    for(int i = 0 ; i<5 ; i++){
        pthread_detach(rtids[i]);
    }

    pthread_exit(NULL);

    // pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

生产者消费者模式

多生产者 - 容器 - 多消费者

阻塞 - 通知机制，需要条件变量和信号量来进行实现；

条件变量 - 通过条件变量来唤醒阻塞进程

信号量 - 一定程度上表示资源的多少

/*
    信号量的类型 sem_t
    int sem_init(sem_t *sem, int pshared,unsigned int value);
        初始化信号量
        参数：
            sem - 信号量变量的地址
            pshared - 0用在线程，非0用在进程
            value - 信号量中的值
    int sem_destroy(sem_t *sem);
        释放资源
    int sem_wait(sem_t *sem);
        加锁 对信号量的值减1，如果值为0则阻塞
    int sem_trywait(sem_t *sem);
        尝试
    int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs timeout);
        等待多少时间
    int sem_post(sem_t *sem);
        解锁 对信号量的值加1
    int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
        获取值
*/
// 生产者消费者模型 粗略版本
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <semaphore.h>
using namespace std;

// 创建一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
// 创建两个信号量
sem_t p , c;

class Node{
public:
    int num;
    Node* next;
};

Node* head = NULL;

void* pro(void* arg){

    // 不断创建节点添加到链表
    while(1){
        sem_wait(&p);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        Node* newNode = new Node();
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand()%100;
        printf("add node , num: %d , tid: %ld\n" , newNode->num , pthread_self());   
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&c);
        usleep(1000);
    }

    return NULL;
}

void* cus(void* arg){

    while(1){
        sem_wait(&c);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        Node* cur = head;
        head = head->next;
        printf("del node : %d , tid : %ld\n" , cur->num , pthread_self());
        delete(cur);
        cur = NULL;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&p);
        usleep(1000);
    }

    return NULL;
}

int main(){

    pthread_mutex_init(&mutex , NULL);

    sem_init(&p , 0 , 5);
    sem_init(&c , 0 , 0);

    // 5个生产者，5个消费者
    pthread_t ptids[5] , ctids[5];
    for(int i = 0 ; i<5; i++){
        pthread_create(&ptids[i] , NULL , pro , NULL);
        pthread_create(&ctids[i] , NULL , cus , NULL);
    }

    for(int i = 0 ; i<5 ; i++){
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1){
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}