华清远见25072班I/O学习day6
重点内容：
一、多线程基本概念
1> 线程：也称为轻量版的进程（LWP），是更小的任务执行单元，是进程的一个执行路径
2> 线程是任务器调度的最小单位，进程是资源分配的基本单位
3> 一个进程中可以包含多个线程，多个线程共享进程的资源。
4> 线程几乎不占用资源，只是占用了很少的用于线程状态的资源（大概有8k左右）
5> 由于多个线程共同使用进程的资源，导致，线程在操作上容易出现不安全的状态
6> 线程操作开销较小、任务切换效率较高
7> 一个进程中，至少要包含一个线程（主线程）
8> 在有任务执行漫长的IO等待过程中，可以同时执行其他任务
9> linux中不直接支持线程相关的支持库，需要引入第三方库，线程支持库
sudo apt-get install manpages-posix manpages-posix-dev
如果程序中使用的线程支持库中的函数，编译程序时，需要加上 -lpthread 选项
二、多线程编程
2.1 线程的创建：pthread_create
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
功能：创建一个分支线程，并启动该线程
参数1：用于返回线程号的参数，传递一个pthread_t类型的变量地址，创建结束后，会得到该线程的 tid
参数2：创建的线程属性，一般填NULL，使用系统默认线程属性
参数3：线程体函数，是一个函数指针，参数为void*返回值也为void*
参数4：用于主线程，向分支线程传递数据使用
返回值：成功返回0，失败返回一个错误码（注意，不是内核提供的错误）
2.2 线程号获取：pthread_self
pthread_t pthread_self(void);
功能：获取当前线程的线程号
参数：无
返回值：返回当前线程的线程号，该函数只会成功不会失败
2.3 线程退出：pthread_exit
void pthread_exit(void *retval);
功能：退出该函数所在的线程
参数：线程的退出状态，一般填NULL
返回值：无
2.4 线程资源回收：pthread_join / pthread_detach
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能：阻塞回收指定的线程结束
参数1：要回收线程的线程号
参数2：回收线程退出时的状态，一般填NULL
返回值：成功返回0，失败发那会一个错误码
int pthread_detach(pthread_t thread);
功能：将某个线程设置成分离态，当某个线程设置成分离态后，其退出时，资源由系统回收 参数：要被设置成分离态的线程tid号
返回值：成功返回0，失败返回错误码
三、线程同步互斥
1> 竞态：同一个进程的多个线程在访问临界资源（公共资源）时，会出现抢占的现象，导致线程中的数据错误的现象称为竞态
2> 临界资源：多个线程共同访问的数据称为临界资源，可以是全局变量、堆区数据、外部文件
3> 临界区：访问临界资源的代码段称为临界区
4> 粒度：临界区的大小
5> 同步：表示多个任务有先后顺序的执行
6> 互斥：表示在访问临界区时，同一时刻只能有一个任务，当有任务在访问临界区时，其他任务只能等待
3.1 互斥机制
1> 互斥机制使用互斥锁来完成，互斥锁时一个特殊的全局变量（临界资源），该互斥锁被某一个线程获取后，其他线程想要获取该锁资源就只能等待，直到拥有该锁资源的线程释放了互斥锁。
2> 同一时刻，只能有一个线程拥有锁资源
3> 有关互斥锁的API
1、使用pthread_mutex_t类型的变量定义一个全局变量，就有了一个互斥锁 pthread_mutex_t mutex ;
2、初始化互斥锁 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);
功能：初始化一个互斥锁
参数1：要被初始化的互斥锁地址
参数2：互斥锁属性，一般填NULL，由系统自动设置
返回值：没有失败，成功返回0
3、获取锁资源 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
功能：获取指定的锁资源，如果该锁资源已经被其他线程获取，那么该函数会阻塞，直到要获取的锁资源被释放
参数：要获取的锁资源地址
返回值：成功返回0，失败返回非0的错误码
4、释放锁资源 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
功能：释放指定的互斥锁资源
参数：互斥锁地址
返回值：成功返回0，失败返回非0的错误码
5、销毁互斥锁 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
功能：销毁指定的互斥锁
参数：互斥锁地址
返回值：成功返回0，失败返回非0的错误码
3.2 线程同步机制
1> 线程同步机制表示要将多个线程有先后顺序的执行
2> 经典的线程同步问题：生产者消费者问题，生产者任务用于生产，通知消费者执行
3> 线程同步机制有两个：无名信号量（一个生产者对应一个消费者）、条件变量（一个生产者对应多个消费者）
3.2.1 无名信号量
1> 无名信号量本质上维护的是一个value值，当该值大于0时，表示有资源可以被申请，申请资源的函数直接获取
当value值等于0时，表示没有资源可以被获取，申请资源的函数会被阻塞
2> 无名信号量也是一个特殊的全局变量（临界资源）
3> 无名信号量相关API
1、创建一个无名信号量：只需定义一个sem_t类型的全局变量即可 sem_t sem;
2、初始化无名信号量 int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
功能：初始化一个无名信号量
参数1：无名信号量地址
参数2：标识是进程间共享还是线程间共享 0：标识线程的同步 非0表示多个亲缘进程间同步 参数3：资源的初始值
返回值：成功返回0，失败返回-1并置位错误码
3、申请无名信号量资源（P操作） int sem_wait(sem_t *sem);
功能：申请无名信号量的资源操作，如果无名信号量中的资源大于0，则直接继续执行后面操作，如果无名信号量中的资源等于0，则该函数会阻塞 直到其他线程将该无名信号量的资源增加到大于0
参数：无名信号量的地址
返回值：成功返回0，失败返回-1并置位错误码
4、释放无名信号量（V操作）int sem_post(sem_t *sem);
功能：释放无名信号量的资源，使得无名信号量资源增加操作
参数：无名信号量地址
返回值：成功返回0，失败返回-1并置位错误码
5、销毁无名信号量 int sem_destroy(sem_t *sem);
功能：销毁一个无名信号量
参数：无名信号量地址
返回值：成功返回0，失败返回-1并置位错误码
3.2.2 条件变量
1> 条件变量本质上维护了一个队列，对于消费者而言，想要执行的话，先进入等待队列中进行休眠，直到生产者唤醒后继续执行
2> 对于生产者唤醒消费者的行为：先进入等待队列的消费者先执行
3> 多个消费者在进入等待队列中，会产生竞态，此时需要一个互斥锁
4> 条件变量相关API
1、创建一个条件变量：只需要定义一个pthread_cond_t类型的全局变量，就创建了一个条件变量 pthread_cond_t cond ;
2、初始化条件变量 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
功能：初始化条件变量
参数1：条件变量的地址
参数2：条件变量的属性，一般为NULL，表示使用系统默认属性
返回值：成功给返回0，失败返回-1并置位错误码
3、消费者线程进入等待队列，并休眠 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
功能：将当前线程放入等待队列中并进入休眠状态
参数1：条件变量地址
参数2：是一个互斥锁，表示多个线程进入阻塞队列时，是互斥进入的
返回值：成功给返回0，失败返回-1并置位错误码
4、唤醒等待队列中的线程函数 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
功能：唤醒在等待队列中的第一个线程开始执行
参数：条件变量地址 返回值：成功给返回0，失败返回-1并置位错误码
唤醒等待队列中的线程函数 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
功能：唤醒在等待队列中的所有线程
参数：条件变量地址
返回值：成功给返回0，失败返回-1并置位错误码
5、销毁条件变量 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
功能：销毁条件变量
参数：条件变量地址
返回值：成功给返回0，失败返回-1并置位错误码
作业：
1.创建三个线程，线程1打印A，线程2打印B，线程3打印C，使用线程同步机制，完成输出结果为：ABCABCABCABC......
程序源码：
#include <25072head.h>
//1.定义三个无名信号量
sem_t sem1,sem2,sem3;
//定义线程体1
void *task1(void *arg)
{
char buf='A';
while(1)
{
//3.申请1号无名信号量资源
sem_wait(&sem1);
write(1,&buf,sizeof(buf));
//4.释放2号无名信号量资源
sem_post(&sem2);
}
}
///定义线程体2
void *task2(void *arg)
{
char buf='B';
while(1)
{
sem_wait(&sem2);
write(1,&buf,sizeof(buf));
sem_post(&sem3);
}
}
//定义线程体3
void *task3(void *arg)
{
char buf='C';
while(1)
{
sem_wait(&sem3);
write(1,&buf,sizeof(buf));
sem_post(&sem1);
}
}int main(int argc, const char *argv[])
{
//2.初始化无名信号量
sem_init(&sem1, 0, 1);
sem_init(&sem2, 0, 0);
sem_init(&sem3, 0, 0);//定义3个线程变量
pthread_t tid1,tid2,tid3;//创建3个线程
if(pthread_create(&tid1, NULL, task1, NULL) != 0)
{
printf("tid1 create error\n");
return -1;
}if(pthread_create(&tid2, NULL, task2, NULL) != 0)
{
printf("tid2 create error\n");
return -1;
}
if(pthread_create(&tid3, NULL, task3, NULL) != 0)
{
printf("tid3 create error\n");
return -1;
}//主线程
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
pthread_join(tid3, NULL);//5.销毁无名信号量
sem_destroy(&sem1);
sem_destroy(&sem2);
sem_destroy(&sem3);return 0;
}
3.思维导图：
