Linux多线程编程（一）

linux多线程设计是指基于Linux操作系统下的多线程设计，包括多任务程序的设计，并发程序设计,网络程序设计，数据共享等。Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。

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。

   //　注：存在阻塞主线程的操作、慢速操作、大数据操作等任务可以启动一个线程。
三、线程的创建     使用pthread_create函数。    

#include
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
#include
#include
#include
#include

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
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
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
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。

使用pthread_cond_signal一般不会有“惊群现象”产生，他最多只给一个线程发信号。假如有多个线程正在阻塞等待着这个条件变量的话，那么是根据各等待线程优先级的高低确定哪个线程接收到信号开始继续执行。如果各线程优先级相同，则根据等待时间的长短来确定哪个线程获得信号。但无论如何一个pthread_cond_signal调用最多发信一次。

pthread_cond_broadcast唤醒全部线程，但我们通常只需要一部分线程去做执行任务，所以其它的线程需要继续wait.所以强烈推荐对pthread_cond_wait() 使用while循环来做条件判断.

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
#include
#include
#include
#include
#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。

pthread_self()是POSIX的实现，它的返回值是pthread_t，pthread_t在linux中实际是无符号长整型，即unsigned long。

gettid是系统调用，它的返回值是pid_t，在linux上是一个无符号整型。