Linux多线程编程（一）

一、什么是线程？

      线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器，一组寄存器和栈)，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

二、什么时候使用多线程？     当多个任务可以并行执行时，可以为每个任务启动一个线程。
三、线程的创建     使用pthread_create函数。    

#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，可以用strerror(errno)函数得到错误信息
四、线程的终止   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。

一个小例子：

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，同样执行五百次。

#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)//线程执行函数，执行500次减法
{
  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);//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)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++编译该文件（g++ main.cpp -o main)。此时会报错undefined reference to `pthread_create'。

报这个错误的原因是：pthread库不是linux默认的库，所以在编译时候需要指明libpthread.a库。

解决方法：在编译时，加上-lpthread参数。

执行结果：

乍一看，结果是对的，加500次，减500次，最后结果为0。但是仔细看所有的输出，你会发现有异样的东西。

    导致这个不和谐出现的原因是，两个线程可以对同一变量进行修改。假如线程1执行tmp=50+1后，被系统中断，此时线程2对num=50执行了减一操作，当线程1恢复，在执行num=tmp=51。而正确结果应为50。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。

五、线程同步线程同步的三种方式：

1、互斥量   互斥量用pthread_mutex_t数据类型来表示。   

两种方式初始化，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。  

#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。

#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个程序（修改部分用红色标出）：

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、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：  

#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，这里分为读加锁和写加锁。
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)

3、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：
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。

 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。

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

来一个例子，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。

#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);//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);
    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，执行结果如图所示：
在DEBUG模式，执行结果如图所示:

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。