Linux(线程控制)

一 线程的操作

1. 创建线程：pthread_create

int pthread_create(pthread_t *thread,                 // 线程 idconst pthread_attr_t *attr,        // 线程属性设置void *(*start_routine) (void *),   // 回调函数void *arg                          // 传递给回调函数的参数);
// 返回值0成功，否则返回错误码

2. 等待线程：pthread_join

int pthread_join(pthread_t thread,  // pthread_create 的返回值 void **retval      // pthread_create 回调函数的返回值);
// 返回值成功0，否则返回错误码

和进程一样，线程执行完，也需要等待回收获取执行结果，否则类似僵尸进程。

示例：

#include <iostream>
#include <pthread.h>void* fun(void *arg)
{const char *s = static_cast<const char *>(arg);std::cout << s << std::endl;return (void *)"正常退出";
}
int main()
{pthread_t pid;pthread_create(&pid, nullptr, fun, (void *)"hello world");void *result;pthread_join(pid, &result);std::cout << static_cast<const char *>(result) << std::endl;return 0;
}

创建多线程，进程内部就有多个执行流，谁先执行不一定。

void* 可以接收任意类型参数，内置类型，自定义类型都可以。

二级指针存放回调函数的返回值(一级指针的地址)

3. 线程终止

#include <pthread.h>void pthread_exit(void *retval  // 终止后的信息);
// 哪个线程调用终止哪个线程

如果不想正常return返回，可以调用 pthread_exit() ，提前终止，携带退出信息。

4. 线程分离

#include <pthread.h>int pthread_detach(pthread_t thread  // 线程的PID);
// 让这个线程分离，此后不需要join

一般情况线程结束需要被等待，但可以自己分离出进程，但资源仍然共享，只是由系统来回收。

5. 取消线程

int pthread_cancel(pthread_t thread // 线程ID)
// 取消线程

可以主动取消一个线程，一般是由主线程来取消。

6. 封装原生API(简易)

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <functional>// 处理任务
using handler = std::function<void(void)>;class mythread
{
public:// 线程回调函数static void *fun(void *arg){mythread *mythis = static_cast<mythread *>(arg);// 处理任务mythis->_handler();return nullptr;}mythread(const std::string &name, handler ha) : _name(name), _handler(ha), _isdetach(false) {}~mythread() {}// 创建线程初始化tidbool start(){if (pthread_create(&_tid, nullptr, fun, this) != 0)return false;return true;}// 等待线程结束bool join(){if (_isdetach == true)return false;return pthread_join(_tid, nullptr) == 0;}// 分离线程bool setthread_detach(){_isdetach = true;return pthread_detach(_tid) == 0;}// 取消线程bool setthread_cancel(){return pthread_cancel(_tid) == 0;}pthread_t gettid() { return _tid; }private:std::string _name; // 线程名pthread_t _tid;    // 线程tidhandler _handler;  // 执行任务bool _isdetach;    // 分离线程
};

二 用户级线程

前章说过，Linux中的线程是通过pthread库对轻量级进程的封装，使用前必须携带 -lpthread 链接这个库。那么用户级线程是如何封装的？用户级线程包含哪些属性？下面来看看

既然是库，和标准库，第三方库一样，也要映射到共享区，pthread库也不例外。

当调用pthread_create()，pthread库会在内部维护一个用户级线程结构，并和其他相同的结构组织起来。

当获取线程的TID的时候，也就是pthread_create第一个参数，就是用户级线程维护的线程的起始地址，不是内核轻量级进程的LWP字段，所以在线程操作的时候，实际是在对pthread库操作，pthread库封装的轻量级进程，对库做操作，库帮你对轻量级进程做操作。

pthread维护的结构，包含很多字段：PID/LWP，回调函数/函数参数，void*退出信息，独立的栈，TLS线程局部存储.....等。

线程局部存储：线程也可以给自己创建独立的对象，维护在pthread结构中，但仅只支持内置类型，不支持自定义类型： __thread 类型。

独立的栈：进程里的栈由主线程使用，即没有创建线程的那个线程使用，其他的线程也是在pthread结构里独立开辟空间并维护自己的栈，也就不会起冲突了。

三 同步与互斥

如果在多执行流对同一个变量进行操作会有什么问题？

假设对一个变量执行 -- 操作，当减到0结束，那么if()判断和变量--都是操作，假设变量当前值为1，此时有多个执行流同时执行if()，if里的条件在内存中，先从内存拿到CPU，在由CPU执行，已经是2步操作了，当某个执行流对变量进行--操作，此时因某种原因被切换，比如：时间片到了，后面有优先级更高的....等，其他判断if()条件的执行流判断完成，此时if()内的语句已经有多条执行流了，但变量当前值为1，切走的线程又回来了进行--，后面的线程已经进来了，也会--，所以会有数据不一致问题，由并发访问导致数据不一致问题，称为线程安全问题。

上述根本原因是if()是由多种操作和切换等方面导致多执行流执行中有中间状态，称为非原子操作。

1. 概念：

原子性：执行流执行一段代码没有中间过程称为原子的，这段代码可能形成一行汇编语句，也可能是多行，只要没有中间状态，也就是原子的。

共享资源/临界资源：多执行流共享一个对象，对象身为共享资源，对共享资源保护的资源，称为临界资源。

临界区：临界资源的代码，称为临界区，其他称为非临界区。

2. 互斥量/互斥锁：

为了保证在多线程情况下，因为并发允许导致对共享资源修改造成的数据不一致问题，提供了很多互斥机制。

互斥：访问临界区的代码的时候，只有一个执行流能访问，其他等待，所以相对于其他线程，进入临界区的线程是原子的，由原来的并发，在临界区中变成了串行访问。

API：

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,               // 锁 const pthread_mutexattr_t *mutexattr  // 锁的属性);int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex // 申请锁失败返回);int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex // 释放锁);int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex // 对锁进行加锁);int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex // 对锁进行解锁);

如果锁是局部变量，则需要进行初始化和手动销毁。

全局对象则直接初始化，不用销毁：pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

互斥锁特征：如果申请成功就往下执行，否则阻塞，等待后续锁被解锁被唤醒重新申请锁。

所以互斥锁加锁期间就是原子的。

互斥锁实现：

当对锁进行加锁的时候，CPU存在一个汇编指令：swap，exchange，作用是交换内存中的值和寄存器中的值，整个下来只有一行汇编语句，也就是原子的，而之前的++/--操作而是3条汇编指令。

首先，CPU会初始化寄存器里的值为0，对应上图第一行代码，执行完这时如果被切走。

第一：内存中的值没变，其他线程可以继续申请，如果申请到，内存中的值变了，切走的线程再回来，恢复自己的寄存器的里的值：0，交换内存中的值，此时假设内存中原来的值为1，因切走被其他线程交换，变为0，此时0和0交换，在进行if()判断，走else 阻塞等待。

第二：执行第二行代码被切走，此时内存中的值由初始1被交换到寄存器，变为0，线程切换保存寄存器的值，后续线程的寄存器初始化为0，和内存中被交换后的值：0，0和0交换，if()不成立，else阻塞。

第三：解锁重新交换内存中的值和寄存器的值，如果被切走，其他线程已经阻塞，新的线程可以申请，没被切走唤醒阻塞的线程继续申请锁。

示例：

#include "thread.hpp"
#include <vector>// pthread_mutex_t mymtu = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int val = 10000;
void xx(std::string s)
{while (1){// pthread_mutex_lock(&mymtu);if (val > 0){std::cout << s << " :" << val-- << std::endl;// pthread_mutex_unlock(&mymtu);}else{// pthread_mutex_unlock(&mymtu);break;}}
}
int main()
{std::vector<mythread> v;for (int i = 0; i < 5; i++)v.emplace_back(std::to_string(i), xx);for (auto &e : v)e.start();for (auto &e : v)e.join();return 0;
}

因显示器本就是共享资源所以打印信息混乱正常，可以看到3号线程打印的val是负数，不加保护必定存在线程安全问题，所以要加锁进行保护。

3 同步/条件变量：

上面说的互斥只是让临界区只有一个线程可以访问。

同步：多个线程访问临界区有一定的顺序。

明显互斥也有顺序，但解锁的线程和阻塞的线程状态不一样，解锁的线程解锁完可以立即去申请锁，而阻塞的线程要先唤醒再去申请锁，这样就导致了一个线程解锁之后又能申请到锁，而后面的锁一直申请不到，导致的问题就是后面的线程干等，线程饥饿问题，也就是同步，但资源竞争不合理。

所以为了让资源竞争合理，又引入了一个锁，条件变量。

API：

// 全局不需要释放
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;// 初始化条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);// 唤醒一个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);// 唤醒全部线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);// 线程挂到条件变量中
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);// 释放条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

使用和互斥锁差不多，条件变量作用就是让线程竞争资源具有有合理性，如果资源不就绪就挂到条件变量里(队列里)，唤醒依次从队列头部取一个，也就保证了每个线程能合理竞争到资源。

当调用pthread_cond_wait()的时候，会释放互斥锁，当唤醒的时候，会弹出一个线程，并重新申请锁。

示例：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>pthread_mutex_t mymtu=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t mycond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;int val=0;
void* fun(void* arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mymtu);pthread_cond_wait(&mycond,&mymtu);std::cout<<static_cast<const char*>(arg)<<std::endl;pthread_mutex_unlock(&mymtu);}return nullptr;
}
int main()
{pthread_t t1,t2,t3;pthread_create(&t1,nullptr,fun,(void*)"thread-1");pthread_create(&t2,nullptr,fun,(void*)"thread-2");pthread_create(&t3,nullptr,fun,(void*)"thread-3");while(1){std::cout<<"wake up"<<std::endl;pthread_cond_signal(&mycond);// pthread_cond_broadcast(&mycond);sleep(1);}pthread_join(t1,nullptr);pthread_join(t2,nullptr);pthread_join(t3,nullptr);return 0;
}

当加入条件变量控制线程资源的竞争，明显具有一定的顺序性，也就是同步。