Linux多线程编程

创建线程

使用__pthread_create__函数创建线程。

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#include<pthread.h>
int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新创建的线程ID
              __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//线程属性
              void *(*__start_routine) (void *),//新创建的线程从start_routine开始执行
              void *__restrict __arg)//执行函数的参数

//返回值：成功-0，失败-返回错误编号
//用strerror(errno)函数得到错误信息。

例程：

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int err; 
pthread_t tid1;
err = pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);//创建线程

终止线程

​ 三种方式线程从执行函数返回，返回值是线程的退出码线程被同一进程的其他线程取消调用__pthread_exit()__函数退出。这里不是调用exit，因为线程调用exit函数，会导致线程所在的进程退出。

例程一

​ 启动两个线程，一个线程对全局变量num执行加1操作，执行五百次，一个线程对全局变量执行减1操作，同样执行五次。

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

int num = 0;
void *add(void *arg)
{//线程执行函数，执行5次加法
    int i = 0, tmp;
    for (; i < 5; i++)
    {
        tmp = num + 1;
        num = tmp;
        printf("add+1,result is:%d\n", num);
    }
    return ((void *)0);
}
void *sub(void *arg)//线程执行函数，执行5次减法
{
    int i = 0, tmp;
    for (; i < 5; 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);//创建线程
    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);//阻塞等待线程id为tid1的线程，直到该线程退出
    if (err != 0)
    {
        printf("can not join with thread1:%s\n", strerror(err));
        exit(-1);
    }
    printf("thread 1 exit code %d\n", (int)(intptr_t)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)(intptr_t)tret);
    return 0;
}

编译命令: g++ -o 1_example 1_example.cpp -lpthread

问题: 两个线程可以对同一变量进行修改。假如线程1执行tmp=4+1后，被系统中断，此时线程2对num=5执行了减一操作，当线程1恢复，在执行num=tmp=5。而正确结果应为4。所以当多个线程对共享区域进行修改时，应该采用同步的方式。

线程同步(三种方式)

互斥量

互斥量用pthread_mutex_t数据类型来表示。

第一种：赋值为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；
第二种，当互斥量为动态分配是，使用pthread_mutex_init函数进行初始化，使用pthread_mutex_destroy函数销毁。

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#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，失败-错误编号

加解锁加锁调用pthread_mutex_lock
解锁调用pthread_mutex_unlock

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

使用互斥修改程序的add和sub两个函数:

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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);
}

读写锁

允许多个线程同时读，只能有一个线程同时写。适用于读的次数远大于写的情况。

读写锁初始化： 

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#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，失败-错误编号

加锁，分为读加锁和写加锁。

解锁使用同一个函数。

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//读加锁：
int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)
//写加锁：
int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)
//解锁用同一个函数：
int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)

条件变量

条件变量用pthread_cond_t数据类型表示。

条件变量本身由互斥量保护，所以在改变条件状态前必须锁住互斥量。

条件变量初始化

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//第一种，赋值常量PTHREAD_COND_INITIALIZER；
//第二种，使用pthread_cond_init函数
int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,
   __const pthread_condattr_t *__restrict__cond_attr);
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond);

条件等待

使用pthread_cond_wait等待条件为真。

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

这里需要注意的是，调用pthread_cond_wait传递的互斥量已锁定，pthread_cond_wait将调用线程放入等待条件的线程列表，然后释放互斥量，在pthread_cond_wait返回时，再次锁定互斥量。

唤醒线程

pthread_cond_signal唤醒等待该条件的某个线程，pthread_cond_broadcast唤醒等待该条件的所有线程。

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

例程二

主线程启动4个线程，每个线程有一个参数i（i=生成顺序），无论线程的启动顺序如何，执行顺序只能为，线程0、线程1、线程2、线程3。

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#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;//互斥量
pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//条件变量--本身由互斥量保护，所以在改变条件状态前必须锁住互斥量。
void * thread_func(void *arg)
{
    int i = (int)arg;
    int ret;
    sleep(5 - i);//线程睡眠,然最先生成的线程，最后苏醒
    pthread_mutex_lock(&mylock);//调用pthread_cond_wait前，必须获得互斥锁
    while (i != num)
    {
#ifdef DEBUG
        printf("thread %d waiting\n", i);
#endif
        ret = pthread_cond_wait(&qready, &mylock);//该函数把线程放入等待条件的线程列表，然后对互斥锁进行解锁，这两部都是原子操作。并且在pthread_cond_wait返回时，互斥量再次锁住。
        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);//解锁
    pthread_cond_broadcast(&qready);//唤醒等待该条件的所有线程
    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);//创建线程
        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);//线程阻塞
        if (err != 0)
        {
            printf("can not join with thread %d:%s\n", i, strerror(err));
            exit(-1);
        }
    }
    return 0;
}

在非DEBUG模式，执行结果如下所示：

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jack@desktop:  g++ -o 1_example 1_example.cpp -lpthread
jack@desktop:  ./1_example
jack@desktop:  thread 0 is running
jack@desktop:  thread 1 is running
jack@desktop:  thread 2 is running
jack@desktop:  thread 3 is running
jack@desktop:  thread 4 is running

在DEBUG模式，执行结果如下所示:

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jack@desktop:  g++ -o 1example 1example.cpp -lpthread
jack@desktop:  ./1_example
jack@desktop:  thread 3 waiting
jack@desktop:  thread 2 waiting
jack@desktop:  thread 1 waiting
jack@desktop:  thread 0 is running
jack@desktop:  thread 3 wait success
jack@desktop:  thread 3 waiting
jack@desktop:  thread 2 wait success
jack@desktop:  thread 2 waiting
jack@desktop:  thread 1 wait success
jack@desktop:  thread 1 running
jack@desktop:  thread 3 wait success
jack@desktop:  thread 3 waiting
jack@desktop:  thread 2 wait success
jack@desktop:  thread 2 running
jack@desktop:  thread 3 wait success
jack@desktop:  thread 3 running

​ 在DEBUG模式可以看出，线程3先被唤醒，然后执行pthread_cond_wait（输出thread 3 waiting)，此时在pthread_cond_wait中先解锁互斥量，然后进入等待状态。这是thread 2加锁互斥量成功，进入pthread_cond_wait(输出thread 2 waiting） ,同样解锁互斥量，然后进入等待状态。直到线程0，全局变量与线程参数i一致，满足条件，不进入条件等待，输出thread 0 is running。全局变量num执行加1操作，解锁互斥量，然后唤醒所有等待该条件的线程。thread 3 被唤醒，输出thread 3 wait success。但是不满足条件，再次执行pthread_cond_wait。如此执行下去，满足条件的线程执行，不满足条件的线程等待。