Posix多线程编程总结

Posix在线文档：

The Single UNIX Specification, Version 2 (opengroup.org)

本文主要参考这位大神的文章：

Posix多线程编程学习笔记 - 凌峰布衣 - 博客园 (cnblogs.com)

线程安全问题

多线程编程中，经常遇到的就是线程安全问题，或者说要考虑线程同步的问题。

线程同步这个概念其实挺抽象的。关于线程同步，是指各线程执行时需要按照一定的先后顺序，而不是各线程自己想干嘛就干嘛。

本人之前对线程同步，以及主要的同步技术如互斥锁、信号量、条件变量等没怎么搞透彻，这里再想一想看看。

考虑以下三个场景：

  • 场景1：多个线程，改变了同一个全局变量；
  • 场景2：多个线程，都调用printf来打印输出；
  • 场景3：多个线程，其中A线程必须等B线程执行结束才能执行。

针对场景1，可以使用互斥锁，保证同一时间只有一个线程来操作全局变量，本质是什么呢？本质是因为修改变量的过程并不是原子操作，而是会被打断的，所以，需要在修改变量期间，保证不会被其他线程打断；

针对场景2，我们需要的其实也是printf这个过程不会被打断，要不然就是这个线程打印一会儿，那个线程打印一会儿，输出的内容都串在一起了，这种情况下怎么处理呢？在freertos中，不想某段操作被其他任务打断，可以使用临界区函数来实现，那么Linux中呢？其实可以用信号量，想一想，信号量其实主要就是统计某个资源的使用情况，printf其实就是一个输出的资源，我们可以用信号量来实现，每次只有一个线程可以获取该资源；

针对这两个场景再想想，printf是个资源，其实一个全局变量也是个资源，是不是也可以用信号量呢？另外，printf要想不被打断，是不是也可以使用互斥锁呢？理论上都是可以互换的。

二者本质上都是为了实现原子操作。

再来看看第三个场景，各线程有先后执行顺序，就可以使用条件变量，这一点，相对前面两个场景，没那么容易搞混。

而这三个技术，互斥锁、信号量以及条件变量，就是多线程编程中，实现线程同步的主要手段。再看看线程同步这个词，意思其实就是我这个线程操作资源时，你其他线程得等着，这就是同步的含义。使用线程同步技术，从而保证线程安全。

这几个技术的本质应该是类似的，只是侧重点不一样，需要在实际开发中慢慢体会。

互斥锁和信号量的区别？

参考：

信号量和互斥量（锁）的区别_信号量和互斥锁的区别-CSDN博客

为了更好地区分应用场景，再想想。

互斥锁主要是用在某个会被多线程调用的代码段中；

而信号量，是先有个信号量，然后这个线程释放信号量，另一个线程获取信号量，其实也可以控制线程实现的先后顺序。 

根据《UNIX环境高级编程》，Pthread处理线程同步的，主要是互斥锁和条件变量，而信号量在进程间通信才被提及，貌似信号量主要是用于多进程对共享数据对象的访问。 

注意Linux中的相关概念和RTOS中的相关概念的区别。

Linux中会有多个进程，相对复杂，RTOS中一般只有一个进程，也就是我们的应用，然后里面有各个子任务，对应的是Linux中的线程的概念。

有哪些不一样呢？比如RTOS中消息队列就是在各线程任务之间传递消息，而Linux中主要是用在进程间通信；又比如RTOS中的信号量分为好几种，比如二值信号量、计数信号量、互斥信号量等等，都用在任务间的同步，而Linux中，这些技术有的是用于线程的，有的是用于进程的；再比如RTOS中有临界区保护这一技术手段，不过Linux中一般就是通过互斥锁信号量等等实现。

总之要明确的是，RTOS中一般只有线程的概念，也就是各子任务，所以各技术，都是用在任务之间；但是Linux中，既有线程又有进程，不同的技术有不同的应用场景，所以要加以区分。 另外，不同的操作系统，可能略有差别，实际使用时，需要进一步了解，不过用法都大差不差，重要的是，别以为都是统一的用法，然后产生疑惑，还不知道是咋回事。

Pthreads 概述

历史上，硬件销售商实现了私有版本的多线程库。这些实现在本质上各自不同，使得程序员难于开发可移植的应用程序。 为了使用线程所提供的强大优点，需要一个标准的程序接口。对于UNIX系统，IEEE POSIX 1003.1c（1995）标准制订了这一标准接口。依赖于该标准的实现就称为POSIX threads 或者Pthreads。现在多数硬件销售商也提供Pthreads，附加于私有的API。 Pthreads 被定义为一些C语言类型和函数调用，用pthread.h头（包含）文件和线程库实现。

所以说，Pthreads，其实就是POSIX threads，也就是符合posix标准的线程操作接口。

线程管理

Pthreads API中的函数可以非正式的划分为三大类： 

线程管理（Thread management）: 第一类函数直接用于线程：创建（creating），分离（detaching），连接（joining）等等。包含了用于设置和查询线程属性（可连接，调度属性等）的函数。 

互斥量（Mutexes）: 第二类函数是用于线程同步的，称为互斥量（mutexes），是"mutual exclusion"的缩写。Mutex函数提供了创建，销毁，锁定和解锁互斥量的功能。同时还包括了一些用于设定或修改互斥量属性的函数。 

条件变量（Condition variables）：第三类函数处理共享一个互斥量的线程间的通信，基于程序员指定的条件。这类函数包括指定的条件变量的创建，销毁，等待和受信（signal）。设置查询条件变量属性的函数也包含其中。 

创建和结束线程

函数： 

pthread_create (thread,attr,start_routine,arg)  

pthread_exit (status)  

pthread_attr_init (attr)  

pthread_attr_destroy (attr)  

最初，main函数包含了一个缺省的线程，也就是主线程。其它线程则需要程序员显式地创建。 

有个疑惑，主线程mian里面创建完其他线程后，是进入while死循环，还是直接return返回？

参考：

线程创建后，避免主线程先于子线程结束的四种方式_怎么让新创建的线程不随主线程结束运行-CSDN博客

pthread_create 创建一个新线程并使之运行起来。该函数可以在程序的任何地方调用。 

#include <pthread.h>int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void*), void *arg);

pthread_create参数： 

  • thread：返回一个新线程标识符，也就是线程ID
  • attr：线程属性对象。可以指定一个线程属性对象，或者NULL为缺省值，一般需要时会在属性里设置线程的优先级和栈大小；
  • start_routine：线程将会执行的函数，注意该函数的类型void *(*)(void *)
  • arg: 传递给start_routine单个参数，传递时必须转换成指向void的指针类型。没有参数传递时，可设置为NULL。 

一个进程可以创建的线程最大数量取决于系统实现。 

Q：一个线程被创建后，怎么知道操作系统何时调度该线程使之运行？ 

A：线程何时何地被执行取决于操作系统实现，强壮的程序应该不依赖于线程执行的顺序。

线程属性: 

  • 线程被创建时会带有默认的属性。其中的一些属性可以被程序员用线程属性对象来修改；
  • pthread_attr_init 和 pthread_attr_destroy用于初始化/销毁先成属性对象； 

结束终止: 

  • 结束线程的方法有以下几种： 
    • 线程从主线程（main函数的初始线程）返回； 
    • 线程调用了pthread_exit函数； 
    • 其它线程使用 pthread_cancel函数结束线程； 
    • 调用exec或者exit函数，整个进程结束； 

pthread_exit用于显式退出线程。典型地，pthread_exit()函数在线程完成工作不再需要的时候被调用，退出线程。注意，哪个线程调用的，就结束哪个线程。

#include <pthread.h>void pthread_exit(void *value_ptr);

参数retval 是 void* 类型的指针，可以指向任何类型的数据，它指向的数据将作为线程退出时的返回值。如果线程不需要返回任何数据，将 retval 参数置为 NULL 即可。

示例如下：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>void *thread_fun1(void *param)
{while(1){printf("I am thread-1\n");sleep(1);}return NULL;
}void *thread_fun2(void *param)
{while(1){printf("you are thread-2\n");sleep(1);}return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid1, tid2;int rc;rc = pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun1, NULL);if (rc < 0){ printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc); exit(-1); } rc = pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun2, NULL);if (rc < 0){ printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc); exit(-1); }pthread_exit(NULL);//主线程退出了
}

互斥量

 

互斥量（Mutex）是“mutual exclusion”的缩写。互斥量是实现线程同步，和保护同时写共享数据的主要方法。

互斥量对共享数据的保护就像一把锁。在Pthreads中，任何时候仅有一个线程可以锁定互斥量，因此，当多个线程尝试去锁定该互斥量时仅有一个会成功。直到锁定互斥量的线程解锁互斥量后，其他线程才可以去锁定互斥量。线程必须轮着访问受保护数据。 

互斥量可以防止“竞争”条件。

一个拥有互斥量的线程经常用于更新全局变量。确保了多个线程更新同样的变量以安全的方式运行，最终的结果和一个线程处理的结果是相同的（在受保护的地方，多个线程对于资源的操作，就像是一个线程中对数据的先后处理）。这个更新的变量属于一个“临界区（critical section）”。 

使用互斥量的典型顺序如下： 

  • 创建和初始一个互斥量 
  • 多个线程尝试去锁定该互斥量 
  • 仅有一个线程可以成功锁定改互斥量 
  • 锁定成功的线程做一些处理 
  • 线程解锁该互斥量 
  • 另外一个线程获得互斥量，重复上述过程 
  • 最后销毁互斥量 

当多个线程竞争同一个互斥量时，失败的线程会阻塞在lock调用处。可以用“trylock”替换“lock”，则失败时不会阻塞。 

当保护共享数据时，程序员有责任去确认是否需要使用互斥量。如，若四个线程会更新同样的数据，但仅有一个线程用了互斥量，则数据可能会损坏。 

如下程序：

补充

编译时报错：

undefined reference to 'pthread_create'

 

参考：

Linux下undefined reference to ‘pthread_create’问题解决-CSDN博客

问题原因：
pthread 库不是 Linux 系统默认的库，连接时需要使用静态库 libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用 pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。
问题解决：
在编译中要加 -lpthread参数
gcc thread.c -o thread -lpthread
thread.c为你些的源文件，不要忘了加上头文件#include<pthread.h>

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