什么是linux多線(xiàn)程編程

本篇內(nèi)容介紹了“什么是linux多線(xiàn)程編程”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

線(xiàn)程分類(lèi)

線(xiàn)程按照其調(diào)度者可以分為用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程和核心級(jí)線(xiàn)程兩種。

（1）用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程
用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程主要解決的是上下文切換的問(wèn)題，它的調(diào)度算法和調(diào)度過(guò)程全部由用戶(hù)自行選擇決定，在運(yùn)行時(shí)不需要特定的內(nèi)核支持。在這里，操作系統(tǒng)往往會(huì)提供一個(gè)用戶(hù)空間的線(xiàn)程庫(kù)，該線(xiàn)程庫(kù)提供了線(xiàn)程的創(chuàng)建、調(diào)度、撤銷(xiāo)等功能，而內(nèi)核仍然僅對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理。如果一個(gè)進(jìn)程中的某一個(gè)線(xiàn)程調(diào)用了一個(gè)阻塞的系統(tǒng)調(diào)用，那么該進(jìn)程包括該進(jìn)程中的其他所有線(xiàn)程也同時(shí)被阻塞。這種用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程的主要缺點(diǎn)是在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程的調(diào)度中無(wú)法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì)。

（2）核心級(jí)線(xiàn)程
這種線(xiàn)程允許不同進(jìn)程中的線(xiàn)程按照同一相對(duì)優(yōu)先調(diào)度方法進(jìn)行調(diào)度，這樣就可以發(fā)揮多處理器的并發(fā)優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都采用用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程與核心級(jí)線(xiàn)程并存的方法。一個(gè)用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)核心級(jí)線(xiàn)程，也就是“一對(duì)一”或“多對(duì)一”模型。這樣既可滿(mǎn)足多處理機(jī)系統(tǒng)的需要，也可以最大限度地減少調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)。

Linux的線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)是在核外進(jìn)行的，核內(nèi)提供的是創(chuàng)建進(jìn)程的接口do_fork()。內(nèi)核提供了兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用clone()和fork()，最終都用不同的參數(shù)調(diào)用do_fork()核內(nèi)API。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程，沒(méi)有核心對(duì)多進(jìn)程（其實(shí)是輕量級(jí)進(jìn)程）共享數(shù)據(jù)段的支持是不行的，因此，do_fork()提供了很多參數(shù)，包括CLONE_VM（共享內(nèi)存空間）、CLONE_FS（共享文件系統(tǒng)信息）、 CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號(hào)句柄表）和CLONE_PID（共享進(jìn)程ID，僅對(duì)核內(nèi)進(jìn)程，即0號(hào)進(jìn)程有效）。當(dāng)使用fork系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核調(diào)用do_fork()不使用任何共享屬性，進(jìn)程擁有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，而使用 pthread_create()來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程時(shí)，則最終設(shè)置了所有這些屬性來(lái)調(diào)用__clone()，而這些參數(shù)又全部傳給核內(nèi)的do_fork()，從而創(chuàng)建的“進(jìn)程”擁有共享的運(yùn)行環(huán)境，只有棧是獨(dú)立的，由__clone()傳入。

Linux線(xiàn)程在核內(nèi)是以輕量級(jí)進(jìn)程的形式存在的，擁有獨(dú)立的進(jìn)程表項(xiàng)，而所有的創(chuàng)建、同步、刪除等操作都在核外pthread庫(kù)中進(jìn)行。pthread 庫(kù)使用一個(gè)管理線(xiàn)程（__pthread_manager()，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立且唯一）來(lái)管理線(xiàn)程的創(chuàng)建和終止，為線(xiàn)程分配線(xiàn)程ID，發(fā)送線(xiàn)程相關(guān)的信號(hào)（比如Cancel），而主線(xiàn)程（pthread_create()）的調(diào)用者則通過(guò)管道將請(qǐng)求信息傳給管理線(xiàn)程。

主要函數(shù)說(shuō)明

1．線(xiàn)程的創(chuàng)建和退出

pthread_create 線(xiàn)程創(chuàng)建函數(shù)
int pthread_create (pthread_t * thread_id,__const pthread_attr_t * __attr,void *(*__start_routine) (void *),void *__restrict __arg);

線(xiàn)程創(chuàng)建函數(shù)第一個(gè)參數(shù)為指向線(xiàn)程標(biāo)識(shí)符的指針，第二個(gè)參數(shù)用來(lái)設(shè)置線(xiàn)程屬性，第三個(gè)參數(shù)是線(xiàn)程運(yùn)行函數(shù)的起始地址，最后一個(gè)參數(shù)是運(yùn)行函數(shù)的參數(shù)。這里，我們的函數(shù)thread 不需要參數(shù)，所以最后一個(gè)參數(shù)設(shè)為空指針。第二個(gè)參數(shù)我們也設(shè)為空指針，這樣將生成默認(rèn)屬性的線(xiàn)程。當(dāng)創(chuàng)建線(xiàn)程成功時(shí)，函數(shù)返回0，若不為0 則說(shuō)明創(chuàng)建線(xiàn)程失敗，常見(jiàn)的錯(cuò)誤返回代碼為EAGAIN 和EINVAL。前者表示系統(tǒng)限制創(chuàng)建新的線(xiàn)程，例如線(xiàn)程數(shù)目過(guò)多了；后者表示第二個(gè)參數(shù)代表的線(xiàn)程屬性值非法。創(chuàng)建線(xiàn)程成功后，新創(chuàng)建的線(xiàn)程則運(yùn)行參數(shù)三和參數(shù)四確定的函數(shù)，原來(lái)的線(xiàn)程則繼續(xù)運(yùn)行下一行代碼。

pthread_join 函數(shù)，來(lái)等待一個(gè)線(xiàn)程的結(jié)束。
函數(shù)原型為：int pthread_join (pthread_t __th, void **__thread_return)
第一個(gè)參數(shù)為被等待的線(xiàn)程標(biāo)識(shí)符，第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)用戶(hù)定義的指針，它可以用來(lái)存儲(chǔ)被等待線(xiàn)程的返回值。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)線(xiàn)程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線(xiàn)程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，被等待線(xiàn)程的資源被收回。線(xiàn)程只能被一個(gè)線(xiàn)程等待終止,并且應(yīng)處于joinable狀態(tài)(非detached)。

pthread_exit 函數(shù)
一個(gè)線(xiàn)程的結(jié)束有兩種途徑，一種是線(xiàn)程運(yùn)行的函數(shù)結(jié)束了，調(diào)用它的線(xiàn)程也就結(jié)束了；
另一種方式是通過(guò)函數(shù)pthread_exit 來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的函數(shù)原型為：void pthread_exit (void *__retval)唯一的參數(shù)是函數(shù)的返回代碼，只要pthread_join 中的第二個(gè)參數(shù)thread_return 不是NULL，這個(gè)值將被傳遞給thread_return。最后要說(shuō)明的是，一個(gè)線(xiàn)程不能被多個(gè)線(xiàn)程等待，否則第一個(gè)接收到信號(hào)的線(xiàn)程成功返回，其余調(diào)用pthread_join 的線(xiàn)程則返回錯(cuò)誤代碼ESRCH。

2．線(xiàn)程屬性

pthread_create函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)線(xiàn)程的屬性。將該值設(shè)為NULL，也就是采用默認(rèn)屬性，線(xiàn)程的多項(xiàng)屬性都是可以更改的。這些屬性主要包括綁定屬性、分離屬性、堆棧地址、堆棧大小、優(yōu)先級(jí)。其中系統(tǒng)默認(rèn)的屬性為非綁定、非分離、缺省1M 的堆棧、與父進(jìn)程同樣級(jí)別的優(yōu)先級(jí)。下面首先對(duì)綁定屬性和分離屬性的基本概念進(jìn)行講解。

綁定屬性：Linux中采用“一對(duì)一”的線(xiàn)程機(jī)制，也就是一個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程。綁定屬性就是指一個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程固定地分配給一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程，因?yàn)镃PU時(shí)間片的調(diào)度是面向內(nèi)核線(xiàn)程 （也就是輕量級(jí)進(jìn)程）的，因此具有綁定屬性的線(xiàn)程可以保證在需要的時(shí)候總有一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程與之對(duì)應(yīng)。而與之相對(duì)的非綁定屬性就是指用戶(hù)線(xiàn)程和內(nèi)核線(xiàn)程的關(guān)系不是始終固定的，而是由系統(tǒng)來(lái)控制分配的。

分離屬性：分離屬性是用來(lái)決定一個(gè)線(xiàn)程以什么樣的方式來(lái)終止自己。在非分離情況下，當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程結(jié)束時(shí)，它所占用的系統(tǒng)資源并沒(méi)有被釋放，也就是沒(méi)有真正的終止。只有當(dāng)pthread_join()函數(shù)返回時(shí)，創(chuàng)建的線(xiàn)程才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源。而在分離屬性情況下，一個(gè)線(xiàn)程結(jié)束時(shí)立即釋放它所占有的系統(tǒng)資源。
這里要注意的一點(diǎn)是，如果設(shè)置一個(gè)線(xiàn)程的分離屬性，而這個(gè)線(xiàn)程運(yùn)行又非?？?，那么它很可能在pthread_create 函數(shù)返回之前就終止了，它終止以后就可能將線(xiàn)程號(hào)和系統(tǒng)資源移交給其他的線(xiàn)程使用，這時(shí)調(diào)用pthread_create 的線(xiàn)程就得到了錯(cuò)誤的線(xiàn)程號(hào)。

設(shè)置綁定屬性：

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr)
int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope)
int pthread_attr_getscope(pthread_attr_t *tattr, int *scope)
scope：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM：綁定，此線(xiàn)程與系統(tǒng)中所有的線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng) PTHREAD_SCOPE_PROCESS：非綁定，此線(xiàn)程與進(jìn)程中的其他線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)

設(shè)置分離屬性：

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate)
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *tattr,int *detachstate)
detachstate PTHREAD_CREATE_DETACHED：分離 PTHREAD _CREATE_JOINABLE：非分離

設(shè)置調(diào)度策略：

int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t * tattr, int policy)
int pthread_attr_getschedpolicy(pthread_attr_t * tattr, int *policy)
policy SCHED_FIFO：先入先出 SCHED_RR：循環(huán) SCHED_OTHER：實(shí)現(xiàn)定義的方法

設(shè)置優(yōu)先級(jí)：

int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param)
int pthread_attr_getschedparam (pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param)

3．線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)控制

1）互斥鎖（mutex）
通過(guò)鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程間的同步。同一時(shí)刻只允許一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行一個(gè)關(guān)鍵部分的代碼。

1 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
2 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
3 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
4 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

(1)先初始化鎖init()或靜態(tài)賦值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER
(2)加鎖,lock,trylock,lock阻塞等待鎖,trylock立即返回EBUSY
(3)解鎖,unlock需滿(mǎn)足是加鎖狀態(tài),且由加鎖線(xiàn)程解鎖
(4)清除鎖,destroy(此時(shí)鎖必需unlock,否則返回EBUSY)

mutex 分為遞歸(recursive) 和非遞歸(non-recursive)兩種，這是POSIX 的叫法，另外的名字是可重入(Reentrant) 與非可重入。這兩種mutex 作為線(xiàn)程間(inter-thread) 的同步工具時(shí)沒(méi)有區(qū)別，它們的惟一區(qū)別在于：同一個(gè)線(xiàn)程可以重復(fù)對(duì)recursive mutex 加鎖，但是不能重復(fù)對(duì)non-recursive mutex 加鎖。
首選非遞歸mutex，絕對(duì)不是為了性能，而是為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。non-recursive 和recursive 的性能差別其實(shí)不大，因?yàn)樯儆靡粋€(gè)計(jì)數(shù)器，前者略快一點(diǎn)點(diǎn)而已。在同一個(gè)線(xiàn)程里多次對(duì)non-recursive mutex 加鎖會(huì)立刻導(dǎo)致死鎖，我認(rèn)為這是它的優(yōu)點(diǎn)，能幫助我們思考代碼對(duì)鎖的期求，并且及早（在編碼階段）發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)recursive mutex 使用起來(lái)要方便一些，因?yàn)椴挥每紤]一個(gè)線(xiàn)程會(huì)自己把自己給鎖死了，我猜這也是Java 和Windows 默認(rèn)提供recursive mutex 的原因。（Java 語(yǔ)言自帶的intrinsic lock 是可重入的，它的concurrent 庫(kù)里提供ReentrantLock，Windows的CRITICAL_SECTION 也是可重入的。似乎它們都不提供輕量級(jí)的non-recursive mutex。）

2）條件變量（cond）
利用線(xiàn)程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制。

1 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
2 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
3 int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex,const timespec *abstime);
4 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); 
5 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
6 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);  //解除所有線(xiàn)程的阻塞

(1)初始化. init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER;屬性置為NULL
(2)等待條件成立. pthread_cond_wait,pthread_cond_timedwait.
wait()釋放鎖,并阻塞等待條件變量為真
timedwait()設(shè)置等待時(shí)間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個(gè)線(xiàn)程wait)
(3)激活條件變量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待線(xiàn)程)
(4)清除條件變量:destroy; 無(wú)線(xiàn)程等待,否則返回EBUSY

代碼如下:

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

這兩個(gè)函數(shù)一定要在mutex的鎖定區(qū)域內(nèi)使用。

調(diào)用 pthread_cond_signal() 釋放被條件阻塞的線(xiàn)程時(shí)，如果沒(méi)有任何線(xiàn)程基于條件變量阻塞，則調(diào)用pthread_cond_signal()不起作用。而對(duì)于 Windows，當(dāng)調(diào)用 SetEvent 觸發(fā) Auto-reset 的 Event 條件時(shí)，如果沒(méi)有被條件阻塞的線(xiàn)程，那么此函數(shù)仍然起作用，條件變量會(huì)處在觸發(fā)狀態(tài)。

Linux下生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題（使用互斥鎖和條件變量）:

代碼如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include "pthread.h"

#define BUFFER_SIZE 16

struct prodcons 
{ 
int buffer[BUFFER_SIZE]; 
pthread_mutex_t lock;  //mutex ensuring exclusive access to buffer
int readpos,writepos;  //position for reading and writing
pthread_cond_t notempty;  //signal when buffer is not empty
pthread_cond_t notfull;  //signal when buffer is not full
}; 

//initialize a buffer
void init(struct prodcons* b) 
{ 
pthread_mutex_init(&b->lock,NULL); 
pthread_cond_init(&b->notempty,NULL); 
pthread_cond_init(&b->notfull,NULL); 
b->readpos = 0; 
b->writepos = 0; 
} 

//store an integer in the buffer
void put(struct prodcons* b, int data) 
{ 
pthread_mutex_lock(&b->lock); 
//wait until buffer is not full
while((b->writepos+1)%BUFFER_SIZE == b->readpos) 
{ 
printf("wait for not full\n"); 
pthread_cond_wait(&b->notfull,&b->lock); 
}
b->buffer[b->writepos] = data; 
b->writepos++;
b->writepos %= BUFFER_SIZE;
pthread_cond_signal(&b->notempty); //signal buffer is not empty
pthread_mutex_unlock(&b->lock); 
}

//read and remove an integer from the buffer
int get(struct prodcons* b) 
{ 
int data; 
pthread_mutex_lock(&b->lock); 
//wait until buffer is not empty
while(b->writepos == b->readpos) 
{ 
printf("wait for not empty\n"); 
pthread_cond_wait(&b->notempty,&b->lock); 
}
data=b->buffer[b->readpos]; 
b->readpos++;
b->readpos %= BUFFER_SIZE;
pthread_cond_signal(&b->notfull);  //signal buffer is not full
pthread_mutex_unlock(&b->lock); 
return data;
}

#define OVER -1

struct prodcons buffer; 

void * producer(void * data) 
{ 
int n; 
for(n=0; n<50; ++n) 
{
printf("put-->%d\n",n); 
put(&buffer,n); 
} 
put(&buffer,OVER); 
printf("producer stopped\n"); 
return NULL; 
} 

void * consumer(void * data) 
{ 
int n; 
while(1) 
{ 
int d = get(&buffer); 
if(d == OVER) break; 
printf("get-->%d\n",d); 
}
printf("consumer stopped\n"); 
return NULL; 
} 

int main() 
{ 
pthread_t tha,thb; 
void * retval; 

init(&buffer); 
pthread_creare(&tha,NULL,producer,0); 
pthread_creare(&thb,NULL,consumer,0); 

pthread_join(tha,&retval); 
pthread_join(thb,&retval); 

return 0; 
}

3）信號(hào)量
如同進(jìn)程一樣，線(xiàn)程也可以通過(guò)信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，雖然是輕量級(jí)的。

信號(hào)量函數(shù)的名字都以"sem_"打頭。線(xiàn)程使用的基本信號(hào)量函數(shù)有四個(gè)。

代碼如下:

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

這是對(duì)由sem指定的信號(hào)量進(jìn)行初始化，設(shè)置好它的共享選項(xiàng)（linux只支持為0，即表示它是當(dāng)前進(jìn)程的局部信號(hào)量），然后給它一個(gè)初始值VALUE。

兩個(gè)原子操作函數(shù)：這兩個(gè)函數(shù)都要用一個(gè)由sem_init調(diào)用初始化的信號(hào)量對(duì)象的指針做參數(shù)。

代碼如下:

int sem_wait(sem_t *sem); //給信號(hào)量減1，對(duì)一個(gè)值為0的信號(hào)量調(diào)用sem_wait，這個(gè)函數(shù)將會(huì)等待直到有其它線(xiàn)程使它不再是0為止。
int sem_post(sem_t *sem); //給信號(hào)量的值加1

int sem_destroy(sem_t *sem);

這個(gè)函數(shù)的作用是再我們用完信號(hào)量后都它進(jìn)行清理。歸還自己占有的一切資源。

用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者：

這里使用4個(gè)信號(hào)量，其中兩個(gè)信號(hào)量occupied和empty分別用于解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者線(xiàn)程之間的同步問(wèn)題，pmut用于多個(gè)生產(chǎn)者之間互斥問(wèn)題，cmut是用于多個(gè)消費(fèi)者之間互斥問(wèn)題。其中empty初始化為N（有界緩區(qū)的空間元數(shù)），occupied初始化為0，pmut和cmut初始化為1。

參考代碼：

代碼如下:

#define BSIZE 64

typedef struct
{
char buf[BSIZE];
sem_t occupied;
sem_t empty;
int nextin;
int nextout;
sem_t pmut;
sem_t cmut;
}buffer_t;

buffer_t buffer;

void init(buffer_t * b)
{
sem_init(&b->occupied, 0, 0);
sem_init(&b->empty,0, BSIZE);
sem_init(&b->pmut, 0, 1);
sem_init(&b->cmut, 0, 1);
b->nextin = b->nextout = 0;
}

void producer(buffer_t *b, char item)
{
sem_wait(&b->empty);
sem_wait(&b->pmut);
b->buf[b->nextin] = item;
b->nextin++;
b->nextin %= BSIZE;
sem_post(&b->pmut);
sem_post(&b->occupied);
}

char consumer(buffer_t *b)
{
char item;
sem_wait(&b->occupied);
sem_wait(&b->cmut);
item = b->buf[b->nextout];
b->nextout++;
b->nextout %= BSIZE;
sem_post(&b->cmut);
sem_post(&b->empty);
return item;
}

“什么是linux多線(xiàn)程編程”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！