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文章目录Linux线程的概念线程的优点线程的缺点线程异常线程的控制创建线程线程ID以及进程地址空间终止线程线程等待线程分离线程互斥进程线程间的互斥相关概念互斥量mutex有线程安全问题的售票系统查看ticket--部分的汇编代码互斥量的接口互斥量实现原理探究可重入和线程安全常见的线程不安全的情况常见的线程安全的情况常见不可重入的情况常见可重入的情况可重入与线程安全的联系与区别常见锁的概念死锁死锁的四个必要条件Linux线程的概念 在一个程序里的一个执行路线就叫做线程thread更准确的定义是线程是”一个进程内部的控制序列“一切进程至少都有一个执行线程线程在进程内部运行本质是在进程地址空间内运行在Linux系统中在CPU眼里看到的PCB要比传统的进程更加轻量化 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KKOvTHlq-1677599958611)(D:\blogs\Linux中的执行流共享内存空间.png)]
线程的优点 创建一个新线程的代价要比创建一个新进程要小得多与进程之间的切换相比线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多线程占用的资源要比进程少很多能充分利用多处理器的可并行数量在等待慢速I/O操作结束的同时程序可执行其他的计算任务计算密集型应用为了能在多处理系统上运行将计算分解到多个线程中实现I/O密集型应用为了提高性能将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作 线程的缺点
性能损失 一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与其他线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多那么可能会有较大的性能损失这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销而可用的资源不变。 健壮性降低 编写多线程程序需要更全面更深入的考虑在一个多线程程序里因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的也就是说线程 之间是缺乏保护的 缺乏访问控制 进程是访问控制的基本粒度在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响 线程异常
单个线程如果出现除零野指针问题导致线程崩溃进程也会随着崩溃线程是进程的执行分支线程出异常就类似进程出异常进而触发信号机制终止进程进程终止该进程内的所有线程也随即退出
线程的控制
与线程有关的函数构成了一个完整的系列绝大多数函数的名字都是以pthread_“打头的。要使用这些函数库要通过引入头文件pthread.h链接这些线程函数库时要使用编译器命令的”-lpthread选项。
创建线程
/*
功能创建一个新的线程
函数原型:int pthread_create(pthread_t* thread, const pthread_attr_t *arrt, void* (*call)(void*), void* arg);thread:返回线程IDattr:设置线程的属性attr为NULL表示使用默认属性call:是一个函数指针线程启动后要执行的函数arg:传给线程启动函数的参数
返回值成功返回0失败返回错误码
*/#include unistd.h
#include stdlib.h
#include stdio.h
#include string.h
#include pthread.hvoid* call_back(void* arg)
{for(;;){printf(我是线程:%d %s\n,pthread_self(),(char*)arg);sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(tid,NULL,call_back,hello word);while(1){printf(我是父线程%d, 创建了子线程%d\n,pthread_self(),tid);sleep(1);}return 0;
}创建线程的运行结果 线程ID以及进程地址空间 pthread_create函数会产生一个线程ID存放在第一个参数指向的地址中。该线程ID和前面说的线程ID不是一回事 前面说的线程ID属于进程调度的范畴。因为线程是轻量级进程是操作系统调度器的最小单位所以需要一个数值来唯一表示该线程 pthread_create函数第一个参数指向一个虚拟内存单元该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID属于NPTL线程库的范畴线程库的后续操作就是根据该线程ID来操作线程的 NPTL线程库提供了pthread_self函数可以获得线程自身的ID pthread_t pthread_self(void);pthread_t类型的线程ID本质就是一个进程地址空间上的一个地址 终止线程
终止一个线程而不终止整个进程有三种方法 从线程函数return这种方法对主线程不适用从main函数return相当于调用exit 线程可以调用pthread_exit终止自己 /*
功能终止线程
原型
*/
int pthread_exit(void* value_ptr);
/*参数*/
// value_ptr:value_ptr不要指向一个局部变量,它指向的数据将作为线程退出时的返回值如果线程不需要返回任何数据将value_ptr参数置为NULL即可
// 无返回值跟进程一样线程借宿的时候无法返回到它的调用者// 举个例子
#include unistd.h
#include pthread.h
#include stdio.hvoid* func(void* args)
{printf(欢迎光临\n);sleep(3);pthread_exit((void*)tuichu);
}int main()
{int ret 0;void* str;pthread_t tid;ret pthread_create(tid,NULL,func,NULL);pthread_join(tid,str);printf(%s\n,(char*)str);return 0;
}一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程 /*功能取消一个线程*/
//原型void pthread_cancel(pthread_t tid);
// 参数tid:线程ID
// 返回值成功返回0失败返回错误码
// 举个例子
#include unistd.h
#include pthread.h
#include stdio.hvoid* func(void* args)
{while(1){printf(我是线程%d\n,pthread_self()); sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid1, tid2;pthread_create(tid1,NULL,func,NULL);pthread_create(tid2,NULL,func,NULL);pthread_detach(tid1);pthread_detach(tid2);sleep(3);pthread_cancel(tid1);printf(取消线程%d\n,tid1);sleep(2);printf(取消线程%d\n,tid2);pthread_cancel(tid2);return 0;
} 线程等待
已经退出的线程其空间没有被释放任然在进程的地址空间内。此时创建新的线程是不会复用刚才退出线程的地址空间的
//功能等待线程结束
//原型int pthread_join(pthread_t tid, void** value_ptr);
// 参数
/*tid线程IDvalue_ptr:它指向一个指针后者指向线程的返回值返回值成功返回0失败返回错误码
*/调用该函数的线程将挂起等待直到id为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止通过pthread_join得到的终止状态是不同的总结如下 如果thread线程通过return返回value_ptr所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止value_ptr所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELD如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的value_ptr所指向的单元存放的是传给phtread_exit的参数如果不考虑线程的终止状态可以传NULL给value_ptr 线程分离
默认情况下新创建的线程是joinable的线程退出后需要对其进行pthread_join操作否则无法释放资源从而造成系统泄露如果不关心线程的返回值join是一种负担因为主线程会阻塞在join这一步这个时候我们可以告诉系统当线程退出时自动释放线程资源
// 可以主线程分离子线程
int pthread_detach(pthread_t tid);
// 也可以子线程自己分离自己
int pthread_detach(pthread_self);
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include unistd.h
#include pthread.h
void *thread_run( void * arg )
{pthread_detach(pthread_self());printf(%s\n, (char*)arg);return NULL;
}
int main( void )
{pthread_t tid;if ( pthread_create(tid, NULL, thread_run, thread1 run...) ! 0 ) {printf(create thread error\n);return 1;}int ret 0;sleep(1);//很重要要让线程先分离再等待if ( pthread_join(tid, NULL ) 0 ) {printf(pthread wait success\n);ret 0;} else {printf(pthread wait failed\n);ret 1;}return ret;
}线程互斥
进程线程间的互斥相关概念 临界资源多线程执行流共享的资源就叫做临界资源临界区每个线程内部访问临界资源的代码就叫做临界区互斥任何时刻互斥保证有且只有一个执行流进入临界区访问临界资源通常对临界资源起保护作用原子性不会被任何调度机制打断的操作该操作只有两种状态要么完成要么未完成 互斥量mutex 大部分情况线程使用的数据都是局部变量变量的地址空间在线程栈空间内这种情况变量归属单个线程其他线程无法获得这种变量很多变量都需要在线程间共享这样的变量称为共享变量可以通过数据的共享完成线程之间的交互 有线程安全问题的售票系统
// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include unistd.h
#include pthread.h
// 定义100张票
int ticket 100;// 线程的回调函数
void* route(void* arg)
{char* id (char*)arg;while(1){if(ticket 0){usleep(1000);printf(%s sells ticket:%d\n, id, ticket);ticket--; // 剩余票数减一}else{break;}}
}int main()
{// 创建4个线程模拟买票操作pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(t1, NULL, route, thread 1);pthread_create(t2, NULL, route, thread 2);pthread_create(t3, NULL, route, thread 3);pthread_create(t4, NULL, route, thread 4);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);return 0;
} 查看执行结果我们发现售卖的票为0的时候还在往外售出这肯定是存在问题那么是为什么会导致这样的情况出现呢 if语句判断条件为真以后代码可以并发的切换到其他线程usleep这个模拟漫长业务的过程在这个漫长的业务过程中可能有很多个线程会进入该代码段--ticket操作本身就不是一个原子操作 查看ticket–部分的汇编代码 使用 objdump -d ticketing_system test.objdump指令获取汇编代码 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NAH0hGOq-1677599958615)(D:\blogs\ticket–的汇编代码.png)] 可以看到--操作是由很多步构成的并不是原子的 load将共享变量ticket从内存加载到寄存器中update更新寄存器里面的值执行-1操作store将新值从寄存器写回共享变量ticket的内存地址 要解决以上问题需要做到三点 代码必须要有互斥行为当代码进入临界区执行时不允许其他线程进入该临界区如果多个线程同时要求执行临界区的代码并且临界区没有线程在执行那么只能允许一个线程进入该临界区如果线程不在临界区中执行那么该线程不能阻止其他线程进入临界区 要做到以上三点本质上就是需要一把锁Linux上提供的这把锁叫互斥量。 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AKlm0Ls3-1677599958615)(D:\blogs\互斥量.png)] 互斥量的接口
初始化互斥量
初始化互斥量有两种方法 方法1静态分配 pthread_mutex_t mutex PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER方法2动态分配 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* restrict mutex, const pthread_mutexattr_t* restrict attr);
/*
参数mutex要初始化的互斥量attrNULL
*/销毁互斥量
销毁互斥量需要注意 使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁不要销毁一个已经加锁的互斥量已经销毁的互斥量要确保后面不会有线程再尝试加锁 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex);互斥量加锁和解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);
返回值成功返回0失败返回错误号调用pthread_lock时可能回遇到以下情况 互斥量处于未锁状态该函数会将互斥量锁定同时返回成功发起函数调用时其他线程已经锁定互斥量或者存在其他线程同时申请互斥量但没有竞争到互斥量那么pthread_lock调用回陷入阻塞等待互斥量解锁 改进后的售票系统
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include unistd.h
#include pthread.h
#include sched.hint ticket 100;
// 定义互斥量
pthread_mutex_t mutex;
void *route(void *arg)
{char *id (char *)arg;// 加锁while (1){pthread_mutex_lock(mutex);if (ticket 0){usleep(1000);printf(%s sells ticket:%d\n, id, ticket);ticket--;// 解锁pthread_mutex_unlock(mutex);}else{// 如果没有票了也要释放锁pthread_mutex_unlock(mutex);break;}}
}int main()
{pthread_t t1, t2, t3, t4;// 初始化锁pthread_mutex_init(mutex, NULL);pthread_create(t1, NULL, route, thread 1);pthread_create(t2, NULL, route, thread 2);pthread_create(t3, NULL, route, thread 3);pthread_create(t4, NULL, route, thread 4);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);// 销毁锁pthread_mutex_destroy(mutex);return 0;
}互斥量实现原理探究 经过上面的例子大家已经意识到单纯的i或者i都不是原子的有可能会有数据一致性问题为了实现互斥锁操作大多数体系结构都提供了swap或者exchange指令该指令的作用是把寄存器喝内存单元的数据相交换由于只有一条指令保证了原子性即使是多处理器平台访问内存的总线周期也有先后一个处理上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期 把lock和unlock的伪代码改一下
lock:movb $0, %al xchgb %al, mutex // 原子操作直接将al的值和mutex交换if(al寄存器的内容 0) // 竞争到锁{return 0;}else // 没竞争到锁挂起等待;goto lock;
unlock:movb $1, mutex唤醒等待mutex的线程;return 0;可重入和线程安全 线程安全多个线程并发同一段代码时不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作并且没有锁保护的情况下会出现线程安全问题。重入同一个函数被不同的执行流调用当一个流程还没有执行完就有其他的执行流再次进入我们称之为重入。一个函数在重入情况下运行结果不会出现任何不同或者任何问题则函数被称为可重入函数否则是不可重入函数。 常见的线程不安全的情况 不保护共享变量的函数函数状态随着被调用状态发生变化的函数返回指向静态变量指针的函数调用线程不安全函数的函数 常见的线程安全的情况 每个线程对全局变量或者静态变量只有读取权限而没有写入权限一般来说这些线程是安全的类或接口对于线程来说都是原子操作多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性 常见不可重入的情况 调用了malloc/free函数因为malloc函数是用全局链表来管理堆的调用标准I/O库函数标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构可重入函数体内使用了静态的数据结构 常见可重入的情况 不使用全局变量或静态变量不使用用malloc或new开辟出的空间不调用不可重入函数不返回静态或全局数据所有数据都由函数的调用者提供使用本地数据或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据 可重入与线程安全的联系与区别
联系 函数是可重入的那就是线程安全的函数是不可重入的那就不能由多个线程使用有可能引发线程安全问题如果一个函数中有全局变量那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的 区别 可重入函数是线程安全函数的一种线程安全不一定是可重入的而可重入函数一定是线程安全的如果将对临界资源的访问加上锁则这个函数是线程安全的但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁因此是不可重入的 常见锁的概念
死锁
死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源但因互相申请被其他进程所占用不会释放的资源而处于一种永久等待状态
死锁的四个必要条件 互斥条件一个资源每次只能被一个执行流使用请求与保持条件一个执行流因请求资源而阻塞时对已获得的资源保持不放不剥夺条件一个执行流已获得的资源在未使用完之前不能强行剥夺循环等待条件若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系
