Linux中多線程編程的知識(shí)點(diǎn)

Hello、Hello大家好，我是木榮，今天我們繼續(xù)來(lái)聊一聊Linux中多線程編程中的重要知識(shí)點(diǎn)，詳細(xì)談?wù)劧嗑€程中同步和互斥機(jī)制。

同步和互斥

• 互斥：多線程中互斥是指多個(gè)線程訪問(wèn)同一資源時(shí)同時(shí)只允許一個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，具有唯一性和排它性。但互斥無(wú)法限制訪問(wèn)者對(duì)資源的訪問(wèn)順序，即訪問(wèn)是無(wú)序的；
• 同步：多線程同步是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過(guò)其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)者對(duì)資源的有序訪問(wèn)。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，特別是所有寫(xiě)入資源的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個(gè)訪問(wèn)者同時(shí)訪問(wèn)資源。

互斥鎖

在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)任務(wù)可能都需要使用同一種資源。為了同一時(shí)刻只允許一個(gè)任務(wù)訪問(wèn)資源，需要用互斥鎖對(duì)資源進(jìn)行保護(hù)?；コ怄i是一種簡(jiǎn)單的加鎖的方法來(lái)控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)，互斥鎖只有兩種狀態(tài),即上鎖( lock )和解鎖( unlock )。

互斥鎖操作基本流程

1. 訪問(wèn)共享資源前，對(duì)互斥鎖進(jìn)行加鎖
2. 完成加鎖后訪問(wèn)共享資源
3. 對(duì)共享資源完成訪問(wèn)后，對(duì)互斥鎖進(jìn)行解鎖

對(duì)互斥鎖進(jìn)行加鎖后，任何其他試圖再次對(duì)互斥鎖加鎖的線程將會(huì)被阻塞，直到鎖被釋放`

互斥鎖特性

• 原子性：互斥鎖是一個(gè)原子操作，操作系統(tǒng)保證如果一個(gè)線程鎖定了一個(gè)互斥鎖，那么其他線程在同一時(shí)間不會(huì)成功鎖定這個(gè)互斥鎖
• 唯一性：如果一個(gè)線程鎖定了一個(gè)互斥鎖，在它解除鎖之前，其他線程不可以鎖定這個(gè)互斥鎖
• 非忙等待：如果一個(gè)線程已經(jīng)鎖定了一個(gè)互斥鎖，第二個(gè)線程又試圖去鎖定這個(gè)互斥鎖，則第二個(gè)線程將被掛起且不占用任何CPU資源，直到第一個(gè)線程解除對(duì)這個(gè)互斥鎖的鎖定為止，第二個(gè)線程則被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)鎖定這個(gè)互斥鎖

示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

 char *pTestBuf = nullptr; // 全局變量

 /* 定義互斥鎖 */
pthread_mutex_t mutex;

void *ThrTestMutex(void *p)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);     // 加鎖
    {
        pTestBuf = (char*)p;
        sleep(1);
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);   // 解鎖
}

int main()
{   
    /* 初始化互斥量, 默認(rèn)屬性 */
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    /* 創(chuàng)建兩個(gè)線程對(duì)共享資源訪問(wèn) */
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, ThrTestMutex, (void *)"Thread1");
    pthread_create(&tid2, NULL, ThrTestMutex, (void *)"Thread2"); 

    /* 等待線程結(jié)束 */
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL); 

    /* 銷(xiāo)毀互斥鎖 */
    pthread_mutex_destroy(&mutex);  

    return 0;
}

讀寫(xiě)鎖

• 讀寫(xiě)鎖允許更高的并行性，也叫共享互斥鎖?；コ饬恳词羌渔i狀態(tài)，要么就是解鎖狀態(tài)，而且一次只有一個(gè)線程可以對(duì)其加鎖。讀寫(xiě)鎖可以有3種狀態(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)、寫(xiě)模式加鎖狀態(tài)、不加鎖狀態(tài)。一次只有一個(gè)線程可以占有寫(xiě)模式的讀寫(xiě)鎖，但是多個(gè)線程可以同時(shí)占有讀模式的讀寫(xiě)鎖,即允許多個(gè)線程讀但只允許一個(gè)線程寫(xiě)。
• 當(dāng)讀操作較多，寫(xiě)操作較少時(shí)，可用讀寫(xiě)鎖提高線程讀并發(fā)性

讀寫(xiě)鎖特性

1. 如果有線程讀數(shù)據(jù)，則允許其它線程執(zhí)行讀操作，但不允許寫(xiě)操作
2. 如果有線程寫(xiě)數(shù)據(jù)，則其它線程都不允許讀、寫(xiě)操作
3. 如果某線程申請(qǐng)了讀鎖，其它線程可以再申請(qǐng)讀鎖，但不能申請(qǐng)寫(xiě)鎖
4. 如果某線程申請(qǐng)了寫(xiě)鎖，其它線程不能申請(qǐng)讀鎖，也不能申請(qǐng)寫(xiě)鎖
5. 讀寫(xiě)鎖適合于對(duì)數(shù)據(jù)的讀次數(shù)比寫(xiě)次數(shù)多得多的情況

讀寫(xiě)鎖創(chuàng)建和銷(xiāo)毀

#include 
    int phtread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
    int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 參數(shù)：rwlock：讀寫(xiě)鎖，attr：讀寫(xiě)鎖屬性
• 返回值：成功返回0，出錯(cuò)返回錯(cuò)誤碼

讀寫(xiě)鎖加鎖解鎖

#include 
    /** 加讀鎖 */
    int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    /** 加寫(xiě)鎖 */
    int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    /** 釋放鎖 */
    int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 參數(shù)：rwlock：讀寫(xiě)鎖
• 返回值：成功返回 0；出錯(cuò)，返回錯(cuò)誤碼

示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/* 定義讀寫(xiě)鎖 */
pthread_rwlock_t rwlock;

/* 定義共享資源變量 */
int g_nNum = 0;

/* 讀操作 其他線程允許讀操作 不允許寫(xiě)操作 */
void *fun1(void *arg)  
{  
    while(1)  
    {  
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  
        {
            printf("read thread 1 == %d\\n", g_nNum);
        }      
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        sleep(1);
    }
}  

/* 讀操作，其他線程允許讀操作，不允許寫(xiě)操作 */
void *fun2(void *arg)
{    
    while(1)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  
        {
            printf("read thread 2 == %d\\n", g_nNum);
        }      
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        sleep(1);
    }
} 

/* 寫(xiě)操作，其它線程都不允許讀或?qū)懖僮?*/
void *fun3(void *arg)
{    
    while(1)
    {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        {
            g_nNum++;        
            printf("write thread 1\\n");
        }
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
} 
/* 寫(xiě)操作，其它線程都不允許讀或?qū)懖僮?*/ 
void *fun4(void *arg)
{    
    while(1)
    {  
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  
        {
            g_nNum++;  
            printf("write thread 2\\n");  
        }
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 

        sleep(1);  
    }  
}  
  
int main(int arc, char *argv[])  
{  
    pthread_t ThrId1, ThrId2, ThrId3, ThrId4;  
      
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);  // 初始化一個(gè)讀寫(xiě)鎖  
      
    /* 創(chuàng)建測(cè)試線程 */
    pthread_create(&ThrId1, NULL, fun1, NULL);  
    pthread_create(&ThrId2, NULL, fun2, NULL);  
    pthread_create(&ThrId3, NULL, fun3, NULL);  
    pthread_create(&ThrId4, NULL, fun4, NULL);  
      
    /* 等待線程結(jié)束，回收其資源 */
    pthread_join(ThrId1, NULL);  
    pthread_join(ThrId2, NULL);  
    pthread_join(ThrId3, NULL);  
    pthread_join(ThrId4, NULL);  
      
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);      // 銷(xiāo)毀讀寫(xiě)鎖  
      
    return 0;  
}

結(jié)果

自旋鎖

• 自旋鎖與互斥鎖功能相同，唯一不同的就是互斥鎖阻塞后休眠不占用CPU，而自旋鎖阻塞后不會(huì)讓出CPU，會(huì)一直忙等待，直到得到鎖
• 自旋鎖在用戶(hù)態(tài)較少用，而在內(nèi)核態(tài)使用的比較多
• 自旋鎖的使用場(chǎng)景：鎖的持有時(shí)間比較短，或者說(shuō)小于2次上下文切換的時(shí)間
• 自旋鎖在用戶(hù)態(tài)的函數(shù)接口和互斥量一樣，把pthread_mutex_lock()/pthread_mutex_unlock()中mutex換成spin，如：pthread_spin_init()

自旋鎖函數(shù)

• linux中的自旋鎖用結(jié)構(gòu)體spinlock_t 表示，定義在include/linux/spinlock_type.h。自旋鎖的接口函數(shù)全部定義在include/linux/spinlock.h頭文件中，實(shí)際使用時(shí)只需include即可

示例

include

條件變量

• 條件變量用來(lái)阻塞一個(gè)線程，直到條件發(fā)生。通常條件變量和互斥鎖同時(shí)使用。條件變量使線程可以睡眠等待某種條件滿(mǎn)足。條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制。
• 條件變量的邏輯：一個(gè)線程掛起去等待條件變量的條件成立，而另一個(gè)線程使條件成立。

基本原理

線程在改變條件狀態(tài)之前先鎖住互斥量。如果條件為假，線程自動(dòng)阻塞，并釋放等待狀態(tài)改變的互斥鎖。如果另一個(gè)線程改變了條件，它發(fā)信號(hào)給關(guān)聯(lián)的條件變量，喚醒一個(gè)或多個(gè)等待它的線程。如果兩進(jìn)程共享可讀寫(xiě)的內(nèi)存，條件變量可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩進(jìn)程間的線程同步

示例

#include   
#include   
#include   
#include  

pthread_cond_t taxicond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
pthread_mutex_t taximutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  
void *ThrFun1(void *name)  
{  
    char *p = (char *)name;  
    
    // 加鎖，把信號(hào)量加入隊(duì)列，釋放信號(hào)量
    pthread_mutex_lock(&taximutex); 
    {
        pthread_cond_wait(&taxicond, &taximutex);  
    } 
    pthread_mutex_unlock(&taximutex);  

    printf ("ThrFun1: %s now got a signal!\\n", p);  
    pthread_exit(NULL);  
}  
  
void *ThrFun2(void *name)  
{  
    char *p = (char *)name;  
    printf ("ThrFun2: %s cond signal.\\n", p);    // 發(fā)信號(hào)
    pthread_cond_signal(&taxicond);  
    pthread_exit(NULL);  
}  
  
int main (int argc, char **argv)  
{  
    pthread_t Thread1, Thread2;  
    pthread_attr_t threadattr;
    pthread_attr_init(&threadattr);  // 線程屬性初始化
  
    // 創(chuàng)建三個(gè)線程 
    pthread_create(&Thread1, &threadattr, ThrFun1, (void *)"Thread1");  
    sleep(1);  

    pthread_create(&Thread2, &threadattr, ThrFun2, (void *)"Thread2");  
    sleep(1);   

    pthread_join(Thread1, NULL);
    pthread_join(Thread2, NULL);
  
    return 0;  
}

結(jié)果

虛假喚醒

• 當(dāng)線程從等待已發(fā)出信號(hào)的條件變量中醒來(lái)，卻發(fā)現(xiàn)它等待的條件不滿(mǎn)足時(shí)，就會(huì)發(fā)生虛假喚醒。之所以稱(chēng)為虛假，是因?yàn)樵摼€程似乎無(wú)緣無(wú)故地被喚醒了。但是虛假喚醒不會(huì)無(wú)緣無(wú)故發(fā)生：它們通常是因?yàn)樵诎l(fā)出條件變量信號(hào)和等待線程最終運(yùn)行之間，另一個(gè)線程運(yùn)行并更改了條件

避免虛假喚醒

• 在wait端，我們必須把判斷條件和wait()放到while循環(huán)中

pthread_mutex_lock(&taximutex); 
    {
        while(value != wantValue)
        {
            pthread_cond_wait(&taxicond, &taximutex);  
        }
    } 
    pthread_mutex_unlock(&taximutex);

信號(hào)量

• 信號(hào)量用于進(jìn)程或線程間的同步和互斥，信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它被用來(lái)控制對(duì)公共資源的訪問(wèn)。編程時(shí)可根據(jù)操作信號(hào)量值的結(jié)果判斷是否對(duì)公共資源具有訪問(wèn)的權(quán)限，當(dāng)信號(hào)量值大于0時(shí)，則可以訪問(wèn)，否則將阻塞

#include 

// 初始化信號(hào)量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

// 信號(hào)量P操作（減 1）
int sem_wait(sem_t *sem);

// 以非阻塞的方式來(lái)對(duì)信號(hào)量進(jìn)行減1操作
int sem_trywait(sem_t *sem);

// 信號(hào)量V操作（加 1）
int sem_post(sem_t *sem);

// 獲取信號(hào)量的值
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

// 銷(xiāo)毀信號(hào)量
int sem_destroy(sem_t *sem);

示例

// 信號(hào)量用于同步實(shí)例
#include 
#include 
#include 
#include 

sem_t sem_g,sem_p;   //定義兩個(gè)信號(hào)量
char s8Test = 'a'; 

void *pthread_g(void *arg)  //此線程改變字符的值
{    
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_g);
        s8Test++;
        sleep(2);
        sem_post(&sem_p);
    }
} 
void *pthread_p(void *arg)  //此線程打印字符的值
{    
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_p);        
        printf("%c",s8Test);
        fflush(stdout);
        sem_post(&sem_g);
    }
} 
int main(int argc, char *argv[])
{    
    pthread_t tid1,tid2;
    sem_init(&sem_g, 0, 0); // 初始化信號(hào)量為0
    sem_init(&sem_p, 0, 1); // 初始化信號(hào)量為1
    
    pthread_create(&tid1, NULL, pthread_g, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, pthread_p, NULL); 

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);    
    return 0;
}

結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

好了，通過(guò)這篇文章希望對(duì)小伙伴們有所幫助，希望能更深刻的理解多線程編程中的知識(shí)。