Linux多線程編程（一）
一、什么是線程？
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(tǒng)資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源(如程序計數(shù)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、什么時候使用多線程？ 當多個任務可以并行執(zhí)行時，可以為每個任務啟動一個線程。
三、線程的創(chuàng)建 使用pthread_create函數(shù)。
#include<pthread.h> int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,//新創(chuàng)建的線程ID __const pthread_attr_t *__restrict __attr,//線程屬性 void *(*__start_routine) (void *),//新創(chuàng)建的線程從start_routine開始執(zhí)行 void *__restrict __arg)//執(zhí)行函數(shù)的參數(shù)
返回值：成功-0，失敗-返回錯誤編號，可以用strerror(errno)函數(shù)得到錯誤信息
四、線程的終止 三種方式線程從執(zhí)行函數(shù)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(shù)退出。這里不是調用exit，因為線程調用exit函數(shù)，會導致線程所在的進程退出。
一個小例子：
啟動兩個線程，一個線程對全局變量num執(zhí)行加1操作，執(zhí)行五百次，一個線程對全局變量執(zhí)行減1操作，同樣執(zhí)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(zhí)行函數(shù)，執(zhí)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(zhí)行函數(shù)，執(zhí)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(chuàng)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為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(shù)。
執(zhí)行結果：
乍一看，結果是對的，加500次，減500次，最后結果為0。但是仔細看所有的輸出，你會發(fā)現(xiàn)有異樣的東西。
導致這個不和諧出現(xiàn)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(zhí)行tmp=50+1后，被系統(tǒng)中斷，此時線程2對num=50執(zhí)行了減一操作，當線程1恢復，在執(zhí)行num=tmp=51。而正確結果應為50。所以當多個線程對共享區(qū)域進行修改時，應該采用同步的方式。
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(shù)據(jù)類型來表示。
兩種方式初始化，第一種：賦值為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；第二種，當互斥量為動態(tài)分配是，使用pthread_mutex_init函數(shù)進行初始化，使用pthread_mutex_destroy函數(shù)銷毀。
#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。適用于讀的次數(shù)遠大于寫的情況。 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，這里分為讀加鎖和寫加鎖。
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(shù)：
int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock)
3、條件變量條件變量用pthread_cond_t數(shù)據(jù)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(tài)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(shù)
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等待條件為真。
pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond, pthread_mutex_t *__restrict __mutex)
這里需要注意的是，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，然后釋放互斥量，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，主線程啟動4個線程，每個線程有一個參數(shù)i（i=生成順序），無論線程的啟動順序如何，執(zhí)行順序只能為，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，最后蘇醒
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(shù)把線程放入等待條件的線程列表，然后對互斥鎖進行解鎖，這兩部都是原子操作。并且在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(zhí)行結果如圖所示：
在DEBUG模式，執(zhí)行結果如圖所示:
在DEBUG模式可以看出，線程3先被喚醒，然后執(zhí)行pthread_cond_wait（輸出thread 3 waiting)，此時在pthread_cond_wait中先解鎖互斥量，然后進入等待狀態(tài)。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，然后進入等待狀態(tài)。直到線程0，全局變量與線程參數(shù)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(zhí)行加1操作，解鎖互斥量，然后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(zhí)行pthread_cond_wait。如此執(zhí)行下去，滿足條件的線程執(zhí)行，不滿足條件的線程等待。
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