多線程編程課件

1、多線程編程,本章目標(biāo)：,掌握 Linux 中線程的基本概念 掌握 Linux 中線程的創(chuàng)建及使用 能夠獨(dú)立編寫多線程程序 能夠處理多線程中的變量問題 能夠處理多線程中的同步文件,8.1 Linux 下線程概述8.1.1 線程概述,進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。 每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較負(fù)責(zé)的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念線程。它是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度單位，也可以稱為輕量級(jí)進(jìn)程。 線程是在共享內(nèi)存空間中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑，它們共享一個(gè)進(jìn)程的資

2、源，如文件描述和信號(hào)處理。因此，大大減少了上下文切換的開銷。,同進(jìn)程一樣，線程也將相關(guān)的變量值放在線程控制表內(nèi)。 一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，也就是有多個(gè)線程控制表及堆棧寄存器，但卻共享一個(gè)用戶地址空間。 要注意的是，由于線程共享了進(jìn)程的資源和地址空間，因此，任何線程對(duì)系統(tǒng)資源的操作都會(huì)給其他線程帶來影響，因此，多線程中的同步就是非常重要的問題了。 在多線程系統(tǒng)中，進(jìn)程與線程的關(guān)系如表 8.1 所示。,8.1.2 線程分類,線程按照其調(diào)度者可以分為用戶級(jí)線程和核心級(jí)線程兩種。 （1）用戶級(jí)線程 用戶級(jí)線程主要解決的是上下文切換的問題，它的調(diào)度算法和調(diào)度過程全部由用戶自行選擇決定，在運(yùn)行時(shí)不需要特定

3、的內(nèi)核支持。在這里，操作系統(tǒng)往往會(huì)提供一個(gè)用戶空間的線程庫(kù)，該線程庫(kù)提供了線程的創(chuàng)建、調(diào)度、撤銷等功能，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)程中的其他所有線程也同時(shí)被阻塞。這種用戶級(jí)線程的主要缺點(diǎn)是在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程的調(diào)度中無法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì)。,（2）核心級(jí)線程 這種線程允許不同進(jìn)程中的線程按照同一相對(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)都采用用戶級(jí)線程與核心級(jí)線程并存的方法。一個(gè)用戶級(jí)線程可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)核心級(jí)線程，也就是“一對(duì)一”或“多對(duì)一”模型。這樣既可滿足多處理機(jī)系統(tǒng)的需要，也可

4、以最大限度地減少調(diào)度開銷。,8.2 Linux 線程實(shí)現(xiàn)8.2.1 線程基本操作,1線程創(chuàng)建和退出 （1）函數(shù)說明 線程創(chuàng)建:pthread_create。 線程退出: (1)在線程創(chuàng)建以后，就開始運(yùn)行相關(guān)的線程函數(shù)，在該函數(shù)運(yùn)行完之后，該線程也就退出了，這也是線程退出一種方法。 (2)另一種退出線程的方法是使用函數(shù)pthread_exit。由于 exit 的作用是使調(diào)用進(jìn)程終止，往往一個(gè)進(jìn)程包含多個(gè)線程，因此，在使用 exit 之后，該進(jìn)程中的所有線程都終止了。因此，在線程中就可以使用 pthread_exit 來代替進(jìn)程中的 exit。 線程退出之后，退出線程所占用的資源并不會(huì)隨著線程的終

5、止而得到釋放。 pthread_join()函數(shù)。pthread_join 可以用于將當(dāng)前線程掛起，等待線程的結(jié)束。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，被等待線程的資源就被收回。,（2）函數(shù)格式,如：pthread_create( ,（3）函數(shù)使用,以下實(shí)例中創(chuàng)建了兩個(gè)線程，其中第一個(gè)線程是在程序運(yùn)行到中途時(shí)調(diào)用pthread_exit函數(shù)退出，第二個(gè)線程正常運(yùn)行退出。在主線程中收集這兩個(gè)線程的退出信息，并釋放資源。從這個(gè)實(shí)例中可以看出，這兩個(gè)線程是并發(fā)運(yùn)行的。 gcc -o th th.c -lpthread (編譯的時(shí)候要加入線程庫(kù))

6、/*1threadAndProcess.c*/,8.2.2 線程訪問控制,由于線程共享進(jìn)程的資源和地址空間，因此在對(duì)這些資源進(jìn)行操作時(shí)，必須考慮到線程間資源訪問的惟一性問題，這里主要介紹 POSIX 中線程同步的方法，主要有互斥鎖和信號(hào)量的方式。,1mutex 互斥鎖線程控制（1）函數(shù)說明,mutex是一種簡(jiǎn)單的加鎖的方法來控制對(duì)共享資源的存取。 這個(gè)互斥鎖只有兩種狀態(tài)，也就是上鎖和解鎖. 可以把互斥鎖看作某種意義上的全局變量。在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程掌握某個(gè)互斥上的鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線程能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行操作。若其他線程希望上鎖一個(gè)已經(jīng)上鎖了的互斥鎖，則該線程就會(huì)掛起，直到上鎖的線程釋放掉互

7、斥鎖為止?？梢哉f，這把互斥鎖使得共享資源按序在各個(gè)線程中操作。,互斥鎖的操作主要包括以下幾個(gè)步驟。,互斥鎖初始化：pthread_mutex_init 互斥鎖上鎖：pthread_mutex_lock 互斥鎖判斷上鎖：pthread_mutex_trylock（如果已經(jīng)上鎖，則返回EBUSY；如果沒上鎖，則給它上鎖，成功為0，不成功為其他值） 互斥鎖解鎖：pthread_mutex_unlock 消除互斥鎖：pthread_mutex_destroy 互斥鎖可以分為: 快速鎖:指調(diào)用線程會(huì)阻塞直至擁有互斥鎖的線程解鎖為止。 遞歸互斥鎖:能夠成功地返回并且增加調(diào)用線程在互斥上加鎖的次數(shù). 檢錯(cuò)互

8、斥鎖:則為快速互斥鎖的非阻塞版本，它會(huì)立即返回并返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。,（2）函數(shù)格式,（3）使用實(shí)例,該實(shí)例使用互斥鎖來實(shí)現(xiàn)對(duì)變量 lock_var 的加一、打印操作。 /*3mutex.c*/,2信號(hào)量線程控制（1）信號(hào)量說明,信號(hào)量也就是操作系統(tǒng)中所用到的 PV 原語(yǔ)，它廣泛用于進(jìn)程或線程間的同步與互斥,它本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器。 PV 原語(yǔ)是對(duì)整數(shù)計(jì)數(shù)器信號(hào)量 sem 的操作。一次 P 操作使 sem 減一(分配資源)，而一次 V 操作使sem 加一（釋放資源）。 進(jìn)程（或線程）根據(jù)信號(hào)量的值來判斷是否對(duì)公共資源具有訪問權(quán)限。當(dāng)信號(hào)量sem 的值大于或等于0時(shí)，該進(jìn)程（或線程）具有公

9、共資源的訪問權(quán)限；相反，當(dāng)信號(hào)量 sem的值小于零時(shí)，該進(jìn)程（或線程）就將阻塞直到信號(hào)量 sem 的值大于等于0 為止。 PV原語(yǔ)主要用于進(jìn)程或線程間的同步和互斥這兩種典型情況。若用于互斥，幾個(gè)進(jìn)程（或線程）往往只設(shè)置一個(gè)信號(hào)量 sem，它們的操作流程如圖 8.2 所示。 當(dāng)信號(hào)量用于同步操作時(shí)，往往會(huì)設(shè)置多個(gè)信號(hào)量，并安排不同的初始值來實(shí)現(xiàn)它們之間的順序執(zhí)行，它們的操作流程如圖 8.3 所示。,（2）函數(shù)說明,sem_init 用于創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，并能初始化它的值。 sem_wait 和 sem_trywait 相當(dāng)于 P 操作，它們都能將信號(hào)量的值減一，兩者的區(qū)別在于若信號(hào)量小于0時(shí)，sem_wait 將會(huì)阻塞進(jìn)程，而 sem_trywait 則會(huì)立即返回。 sem_post 相當(dāng)于 V 操作，它將信號(hào)量的值加一同時(shí)發(fā)出信號(hào)喚醒等待的進(jìn)程。 sem_getvalue 用于得到信號(hào)量的值。 sem_destroy 用于刪除信號(hào)量。,（3）函數(shù)格式,（4）使用實(shí)例,下面實(shí)例