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 1if(ret != 0){perror("pthread_create");return -1;}ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,NULL); //创建线程 2if(ret != 0){perror("pthread_create");return -1;}pthread_join(tid1,NULL); //阻塞回收线程 1pthread_join(tid2,NULL); //阻塞回收线程 2pthread_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1if(ret != 0){perror("pthread_create");return -1;}ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,NULL);//创建线程2if(ret != 0){perror("pthread_create");return -1;}ret = pthread_create(&tid3,NULL,fun3,NULL);//创建线程3if(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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