Unix编程 第十一章 线程

#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2)

对比两个线程id是否相等

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void)

获取自身的tid

3.创建线程

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg); 成功返回0，否则返回错误编号

当函数成功返回的时候，新创建的线程ID会被设置成tidp指向的内存单元。
新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型的指针参数arg。如果需要向start_rtn传递的参数有一个以上，需要把这些参数放到一个结构中，然后将结构地址作为arg参数传入

4.线程终止
1.线程正常返回，返回值是线程的退出码
2.倍同一进程中的其他线程取消
3.线程调用pthread_exit

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *rval_ptr)
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);

如果线程调用pthread_join 将会一直阻塞，直到指定的线程调用pthread_exit,或者从启动历程中返回或者被取消。
如果只是从它的启动例程返回,rval_ptr就包含返回码。如果线程被取消，rval_ptr指定的内存单元会被设置成PTHREAD_CANCELED。如果不关心返回值，可以把rval_ptr设为NULL。

5.线程取消

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t tid);
//成功返回 0 否则返回错误编号

该函数并不等待线程终止，只是提出请求

6.线程退出清理

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);

触发时机：
当调用pthread_exit时
响应取消请求时
execute设置非0时
execute设置为0时，将删除上一次 pthread_cleanup_push调用建立的程序

进程函数与线程函数对比


image.png

7.线程同步
增量操作通常分三步
1.把内存单元读入寄存器
2.把寄存器中对变量做增量操作
3.把新的值写回单元

8.互斥量（mutex）
本质上是一把锁，在访问共享资源前对mutex进行设置（加锁），访问完成后释放（解锁）互斥量。
任何其他试图再次对互斥量加锁的都会被阻塞，直到当前线程释放互斥量。如果释放互斥量时有一个以上的线程阻塞，那么所有该锁上的阻塞线程都会变成可运行状态，第一个变为可运行的线程就可以对互斥量加锁。
如果允许其中的某一个线程在没有加锁的情况下访问共享资源，那么互斥量就没用了

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
                                     const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(phtread_mutex_t *mutex);
//成功返回0 否则返回错误编号

默认初始化变量只需要把attr设置为NULL

#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
//成功返回 0 否则返回错误编号

如果线程不希望被阻塞，可以使用trylock尝试对互斥量进行加锁，如果处于未锁住状态，就锁住互斥量 ，如果成功返回0，锁住互斥量，否则失败，返回EBUSY

#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

struct foo{
    int     f_count;
    pthread_mutex_t f_lock;
    int     f_id;
};

struct foo*
fool_alloc(int id)
{
    struct foo *fp;

    if((fp = (struct foo*)malloc(sizeof(struct foo))) != NULL){
        fp->f_count = 1;
        fp->f_id = id;
        if(pthread_mutex_init(&fp->f_lock,NULL) != 0){
            free(fp);
            return NULL;
        }
    }

    return fp;
}

void 
foo_hold(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
    fp->f_count++;
    pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
}

void
foo_rele(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
    if(--fp->f_count == 0){
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_destroy(&fp->f_lock);
        free(fp);
    }

}

9.避免死锁
如果线程试图对同一个互斥量加锁两次，那么自身就会陷入死锁状态。
程序中使用一个以上的互斥量时，如果允许一个线程一直占用第一个互斥量，并且试图在锁住第二个互斥量时处于阻塞状态，拥有第二个互斥量的线程也在试图锁住第一个互斥量，互相都不释放锁并且阻塞的情况。
假设 需要对互斥量AB同时加锁。如果所有线程总是在互斥量B加锁之前锁住互斥量A，那么使用这两个互斥量就不会产生死锁。
如果涉及太多的锁和数据结构，可以采用另外的方法。在这种情况下，可以先释放占有的锁，然后过一段时间再试。这种情况可以使用pthread_mutex_trylock接口避免死锁，如果已经占用某些锁 而且pthread_mutex_trylock接口返回成功，那么就可以继续。

#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

#define NHASH 29
#define HASH(id) (((unsigned long)id) % NHASH)

struct foo *fh[NHASH]; //pointer to array fh

pthread_mutex_t hashlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 


struct foo{
    int     f_count;
    pthread_mutex_t f_lock;
    int     f_id;
    struct foo * f_next; //pointer to next foo

    /***more stuff.....***/
};

struct foo*
fool_alloc(int id)
{
    struct foo *fp;
    int idx;

    if((fp = (struct foo*)malloc(sizeof(struct foo))) != NULL){  //allocate memory of object foo
        fp->f_count = 1;
        fp->f_id = id;
        if(pthread_mutex_init(&fp->f_lock,NULL) != 0){
            free(fp); //if mutex init error free memory of struct foo fp;
            return NULL;    
        }
        idx = HASH(id);
        pthread_mutex_lock(&hashlock);
        fp->f_next = fh[idx];
        fh[idx] = fp;
        pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
    }

    return fp;
}

void 
foo_hold(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
    fp->f_count++;
    pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
}


struct foo*
foo_find(int id)
{
    struct foo *fp;

    pthread_mutex_lock(&hashlock);
    for(fp = fh[HASH(id)]; fp != NULL; fp = fp->f_next){
        if(fp->f_id == id) {
            foo_hold(fp);
            break;
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&hashlock);
    return fp;
}


void
foo_rele(struct foo *fp)
{
    struct foo *tfp;
    int idx;

    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
    if(fp->f_count == 1){
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_lock(&hashlock);
        pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);

        if(fp->f_count != 1){
            fp->f_count--;
            pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
            pthread_mutex_unlock(&hashlock);
            return;
        } 
        idx = HASH(fp->f_id);
        tfp = fh[idx];
        if(tfp == fp){
            fh[idx] = fp->f_next;
        }else
        {
            while(tfp->f_next != fp)
                tfp = tfp->f_next;
            tfp->f_next = fp->f_next;
        }

        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_destroy(&fp->f_lock);
        free(fp);
    }
    else{
        fp->f_count--;
        pthread_mutex_destroy(&fp->f_lock);
    }
}

上面的功能可以看出 锁的颗粒度的大小严重影响多线程程序的复杂度 颗粒度越小 复杂度越大

10.pthread_mutex_timedlock


image.png

访问已加锁的互斥量的时候，允许绑定一个时间，如果在这个时间内都没有加上锁，那么就会返回 ETIMEDOUT

11.读写锁 （reader-writer lock）或者叫共享互斥锁（shared-exclusive lock）
1.读模式下加锁 有多线程可以占有
2.写模式下加锁 一次只有一个线程可以占有
3.不加锁

当读写锁 是处于写加锁状态的时候，所有试图访问该锁的线程都会阻塞。
当读写锁 是处于读加锁状态的时候，所有以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权限，但是以写模式对此进行加锁的线程都会阻塞，一直到所有线程都释放他们的读锁位置 （当以写模式对此进行加锁到来的时候，后续进行的读模式进行加锁都会被阻塞，为了防止出现等待的写模式锁的请求一直得不到满足的情况）

读写锁非常适用于数据结构的读取远大于写的情况

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);

//成功返回0  否则返回错误编号

读写锁操作：

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//成功返回0  否则返回错误编号

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

可以获取锁的时候返回0，否则返回EBUSY

代码示例：
多个工作线程获取单个主线程分配给他们的作业

#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

struct job {
    struct job *j_next;
    struct job *j_prev;
    pthread_t j_id;
    /** stuff here**/
};

struct queue{
    struct job *q_head;
    struct job *q_tail;
    pthread_rwlock_t q_lock;
};


/*
*Initialize a queue
*/
int
queue_init(struct queue *qp)
{
    int err;
    qp->q_head = NULL;
    qp->q_tail = NULL;
    err = pthread_rwlock_init(&qp->q_lock,NULL);
    if(err != 0)
    {
        return(err);
    }

    /**continue init data....**/
    return 0;
};


/*
*Insert a job at the head of the queue.
*/
void 
job_insert(struct queue *qp , struct job *jb)
{
    pthread_rwlock_wrlock(&qp->q_lock); // lock with read mod 
    jb->j_next = qp->q_head;
    jb->j_prev = NULL;
    if(qp->q_head != NULL)
        qp->q_head->j_prev = jb;
    else
        qp->q_tail = jb; /* list was empty*/

    qp->q_head = jb;
    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
}


/*
*   Append a job on the tail of the queue
*/
void 
job_append(struct queue *qp , struct job *jb)
{
    pthread_rwlock_wrlock(&qp->q_lock);
    jb->j_next = NULL;
    jb->j_prev = qp->q_tail;
    if(qp->q_tail != NULL)
        qp->q_tail->j_next = jb;
    else
        qp->q_head->j_next = jb;
    qp->q_tail = jb;

    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
}

/*
 *Remove the given job from a queue 
 */
void 
job_remove(struct queue *qp, struct job *jb)
{
    pthread_rwlock_wrlock(&qp->q_lock);
    if(jb == qp->q_head){  //if job at the head of a queue
        qp->q_head = jb->j_next;
        if(qp->q_tail == jb)  // if only one job
            qp->q_tail = NULL;
        else
            jb->j_next->j_prev = jb->j_prev;
    }
    else if (jb == qp->q_tail){
        qp->q_tail = jb->j_prev;//if job at the head of a queue
        jb->j_prev->j_next = jb->j_next;
    } else {
        jb->j_prev->j_next = jb->j_next;
        jb->j_next->j_prev = jb->j_prev;
    }
    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
}


/*
*Find a job by given thread ID
*/
struct job *
job_find(struct queue *qp, pthread_t id)
{
    struct job *jp;
    if(pthread_rwlock_rdlock(&qp->q_lock) != 0)
        return NULL;
    
    for(jp = qp->q_head ; jp != NULL ;jp = jp->j_next)
        if(pthread_equal(jp->j_id,id))
            break;

    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);

    return jp;
}

12.条件变量
条件变量本身是由互斥量保护的。所以改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。

初始化：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, 
                                   const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

//成功返回0 否则返回错误编号

使用接口：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
                                    pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
                                             pthread_mutex_t *restrict mutex,
                                             const struct timespec *restrict tsptr);
//当条件满足时 返回0 否则 阻塞 如果错误返回错误编号

使用wait的时候 mutex必须是锁住的，函数自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后对互斥量进行解锁。
当wait函数返回时，互斥量再次被锁住。

通知条件已满足

#include <pthread.h>

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);  //至少唤醒一个等待该条件线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //唤醒等待该条件的所有进程
//成功返回0  错误返回错误编号

一定要在改变条件状态后再给线程发信号

代码示例

#include <pthread.h>

struct msg{
    struct msg *m_next;
    /*more stuff here*/
};

struct msg *workq;

pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


void 
process_msg(void)
{
    struct msg *mp;

    for(;;){
        pthread_mutex_lock(&qlock);
        while(workq == NULL)
        {
            pthread_cond_wait(&qready, &qlock); 

            mp = workq;
            workq = mp->m_next;
            pthread_mutex_unlock(&qlock);
        }
    }
}

void 
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    pthread_cond_signal(&qready);
}

process_msg中 先锁住qlock互斥量，如果工作队列wq为空，则需要等待qready条件，此时把qlock锁释放掉，线程阻塞，一直到有某个线程调用了 enqueue_msg 通知qready已经ok，线程被唤醒 然后继续执行下面的工作处理逻辑。

13.自旋锁
与互斥量相似，但是不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（自旋）阻塞状态。
用于：锁被持有的时间短。

#include <pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
//成功返回0  否则返回错误编号

pshared参数表示进程共享属性，表面自旋锁是如何获取的。
如果设置为:PTHREAD_PROCESS_SHARED 则该锁可以被 可以访问锁底层内存的线程 所获取
否则设置为:PTHREAD_PROCESS_PRIVATE 只能被初始化该锁的 进程内部的线程 所访问

14.屏障
屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程都到达某个点，然后从该点继续执行。

#include <pthread.h>

int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier,
                                     const pthread_barrierattr_t *restrict attr,
                                      unsigned int count);
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);

int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t * barrier); //返回0 或者PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD 否则返回错误编号

count : 在允许所以线程继续允许之前，必须到达屏障的线程数目。

调用wait函数的线程在屏障计数，未满足条件的时候，会进入休眠状态。如果这个线程是最后一个调用pthread_barrier_wait的线程，就满足了屏障计数，所有的线程都被唤醒。

对于任一一个线程，如果wait函数返回了PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD。说明这个线程可以作为主线程，剩下的线程返回值只会为0。
一旦达到屏障计数值，并且线程处于非阻塞状态，屏障就可以被复用。
但是在destroy之后，又调用init 时会对计数器进行初始化。否则复用的时候计数器不会改变

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