Linux 多線程（轉載）

轉自：http://blog.csdn.net/lanyan822/article/details/7586845

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一、什麼是線程？

      線程是進程的一個實體，是CPU調度和分派的基本單位，它是比進程更小的能獨立運行的基本單位。線程自己基本上不擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源(如程序計數器，一組寄存器和棧)，但是它可與同屬一個進程的其他的線程共享進程所擁有的全部資源。

二、什麼時候使用多線程？

     當多個任務可以並行執行時，可以爲每個任務啓動一個線程。

三、線程的創建

     使用pthread_create函數。

    

#include<pthread.h>
int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新創建的線程ID
               __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//線程屬性
               void *(*__start_routine) (void *),//新創建的線程從start_routine開始執行
               void *__restrict __arg)//執行函數的參數

返回值：成功-0，失敗-返回錯誤編號，可以用strerror(errno)函數得到錯誤信息

四、線程的終止

   三種方式

• 線程從執行函數返回，返回值是線程的退出碼
• 線程被同一進程的其他線程取消
• 調用pthread_exit()函數退出。這裏不是調用exit，因爲線程調用exit函數，會導致線程所在的進程退出。

一個小例子：

啓動兩個線程，一個線程對全局變量num執行加1操作，執行五百次，一個線程對全局變量執行減1操作，同樣執行五百次。

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

int num=0;
void *add(void *arg) {//線程執行函數，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)//線程執行函數，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);//創建線程
    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);//阻塞等待線程id爲tid1的線程，直到該線程退出
    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++編譯該文件（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默認的庫，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參數。

執行結果：

乍一看，結果是對的，加500次，減500次，最後結果爲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，兩個線程可以對同一變量進行修改。假如線程1執行tmp=50+1後，被系統中斷，此時線程2對num=50執行了減一操作，當線程1恢復，在執行num=tmp=51。而正確結果應爲50。所以當多個線程對共享區域進行修改時，應該採用同步的方式。

五、線程同步

線程同步的三種方式：

1、互斥量

   互斥量用pthread_mutex_t數據類型來表示。

    兩種方式初始化，第一種：賦值爲常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；第二種，當互斥量爲動態分配是，使用pthread_mutex_init函數進行初始化，使用pthread_mutex_destroy函數銷燬。

  

#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

加鎖調用pthread_mutex_lock,解鎖調用pthread_mutex_unlock。

#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序（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

   允許多個線程同時讀，只能有一個線程同時寫。適用於讀的次數遠大於寫的情況。

  讀寫鎖初始化：

  

#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，這裏分爲讀加鎖和寫加鎖。

讀加鎖：

  

int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

寫加鎖：

 

int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

解鎖用同一個函數：

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

3、條件變量

條件變量用pthread_cond_t數據類型表示。

條件變量本身由互斥量保護，所以在改變條件狀態前必須鎖住互斥量。

條件變量初始化：

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

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等待條件爲真。

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

這裏需要注意的是，調用pthread_cond_wait傳遞的互斥量已鎖定，pthread_cond_wait將調用線程放入等待條件的線程列表，然後釋放互斥量，在pthread_cond_wait返回時，再次鎖定互斥量。

喚醒線程

pthread_cond_signal喚醒等待該條件的某個線程，pthread_cond_broadcast喚醒等待該條件的所有線程。

int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);

int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)

來一個例子，主線程啓動4個線程，每個線程有一個參數i（i=生成順序），無論線程的啓動順序如何，執行順序只能爲，線程0、線程1、線程2、線程3。

#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);//線程睡眠,然最先生成的線程，最後甦醒
    pthread_mutex_lock(&mylock);//調用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);//該函數把線程放入等待條件的線程列表，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線程
    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，線程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。直到線程0，全局變量與線程參數i一致，滿足條件，不進入條件等待，輸出thread 0 is running。全局變量num執行加1操作，解鎖互斥量，然後喚醒所有等待該條件的線程。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，滿足條件的線程執行，不滿足條件的線程等待。