《TCP/IP 网络编程》第 18 章——多线程服务器端的实现（学习笔记）
代码链接
第 18 章 多线程服务器端的实现
18.1 理解线程的概念
18.1.1 引入线程的背景
第 10 章介绍了多进程服务器端的实现方法。多进程模型与 select 或 epoll 相比的确有自身的优点，但同时也有问题。如前所述，创建进程（复制）的工作本身会给操作系统带来相当沉重的负担。而且，每个进程具有独立的内存空间，所以进程间通信的实现难度也会随之提高。换言之，多进程模型的缺点可概括如下。
- 创建进程的过程会带来一定的开销
- 为了完成进程间数据交换，需要特殊的 IPC 技术
但相比于下面的缺点，上述 2 个缺点不算什么。
- 每秒少则数十次、多则数千次的『上下文切换』是创建进程时最大的开销。
上下文切换的概念：运行程序前需要将相应进程信息读入内存，如果运行进程 A 后需要紧接着运行进程 B，就应该将进程 A 相关信息移出内存，并读入进程 B 相关信息。即使优化加快切换速度，也存在一定的局限。
为了保持多进程的优点，同时在一定程度上克服其缺点，人们引入了线程（Thread）。这是为了将进程的各种劣势降至最低限度而设计的一种『轻量级进程』。线程相比进程具有如下优点。
- 线程的创建和上下文切换比进程的创建和上下文切换更快
- 线程间交换数据时无需特殊技术
18.1.2 线程和进程的差异
线程是为了解决如下困惑登场的：为了得到多条代码执行流而复制整个内存区域的负担太重了。
每个进程的内存空间都由保存全局变量的『数据区』、向 malloc 等函数的动态分配提供空间的堆（Heap）、函数运行时使用的栈（Stack）构成。每个进程都拥有这种独立空间。
但如果以获得多个代码执行流为主要目的，则不需要完全分离内存结构，只需分离栈区域。通过这种方式可以获得如下优势。
- 上下文切换时不需要切换数据区和堆
- 可以利用数据区和堆交换数据
实际上这就是线程。线程为了保持多条代码执行流而隔开了栈区域。
多个线程将共享数据区和堆。为了保持这种结构，线程将在进程内创建并运行。也就是说，进程和线程可以定义为如下形式。
- 进程：在操作系统构成单独执行流的单位。
- 线程：在进程构成单独执行流的单位。
如果说进程在操作系统内部生成多个执行流，那么线程就在同一进程内部创建多条执行流。
18.2 线程创建及运行
下面要介绍的线程创建方法是以 POSIX 标准为依据的。因此，它不仅适用于 Linux，也适用于大部分 UNIX 系列的操作系统。
18.2.1 线程的创建和执行流程
线程具有单独的执行流，因此需要单独定义线程的 main 函数，还需要请求操作系统在单独的执行流中执行该函数，完成该功能的函数如下。
#include 下面通过示例了解该函数功能，代码参考 thread1.c 文件。
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ # 线程相关代码在编译时需要添加 -lpthread 选项声明以连接到线程库，这样才能调用头文件 pthread.h 中声明的函数
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc thread1.c -o tr1.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./tr1.exe
running thread
running thread
running thread
running thread
running thread
end of main
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
main 函数中 sleep 函数调用是为了避免线程结束前结束进程。下面介绍 main 函数中不用 sleep 的方法。
pthread_join
#include 简言之，调用该函数的进程（或线程）将进入等待状态，直到第一个参数为 ID 的线程终止。而且可以得到线程的 main 函数返回值。
下面通过示例了解该函数功能，代码参考 thread2.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc thread2.c -o tr2.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./tr2.exe
running thread
running thread
running thread
running thread
running thread
Thread return message: Hello, I'am thread~
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
18.2.2 可在临界区内调用的函数
根据临界区是否引起问题，函数可分为以下 2 类。
- 线程安全函数
- 非线程安全函数
线程安全函数被多个线程同时调用时也不会引发问题。反之，非线程安全函数被同时调用时会引发问题。线程安全的函数同样可能存在临界区，只是可以通过一些措施避免问题。
幸运的是，大多数标准函数都是线程安全的函数。更幸运的是，我们不用自己区分线程安全的函数和非线程安全的函数。因为这些平台在定义非线程安全函数的同时，提供了具有相同功能的线程安全的函数.
比如第 8 章的如下函数就是非线程安全函数。
struct hostent *gethostbyname(const char *hostname);
同时提供线程安全的同一功能的函数。
struct hostent *gethostbyname_r(
const char *name, struct hostent *result,
char *buffer, int intbuflen, int *h_errnop
);
线程安全函数的名称后缀通常为 _r。代码改为调用 _r 会给程序员带来负担，可以通过如下方法自动将 gethostbyname 函数调用改为 gethostbyname_r 函数调用。
声明头文件前定义 _REENTRANT 宏
无需特意更改源代码，可以在编译时通过添加 -D_REENTRANT 选项定义宏。
gcc -D_REENTRANT mythread.c -o mthread -lpthread
下面编译线程相关代码时均默认添加 -D-REENTRANT 选项。
18.2.3 工作（Worker）线程模型
下面介绍的示例将计算 1 到 10 的和。通过创建 2 个线程，其中一个线程计算 1 到 5 的和，另一个线程计算 6 到 10 的和，main 函数只负责输出运算结果。这种方式的编程模型称为『工作线程模型』。
代码参考 thread3.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc thread3.c -D_REENTRANT -o tr3.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./tr3.exe
result: 55
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
虽然结果正确，但示例本身存在问题，此处存在临界区相关问题。下面再介绍另一示例，与上述示例相似，只是增加了发生临界区相关错误的可能性。代码参考 thread4.c 文件。
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc thread4.c -D_REENTRANT -o tr4.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./tr4.exe
sizeof long long: 8
result: -2652792
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./tr4.exe
sizeof long long: 8
result: -21590734
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
运行结果并不是 0，而且每次运行的结果均不同。虽然其原因尚不得而知，但可以肯定的是，这对于线程的应用是个大问题。
18.3 线程存在的问题和临界区
18.3.1 多个线程访问同一变量的问题
示例 thread4.c 问题是：两个线程正在同时访问全局变量 num。
任何内存空间，只要被同时访问，都可能发生问题。
Q：不是说线程会分时使用 CPU 吗？那应该不会出现同时访问变量的情况啊。
A：一个操作没有完成，这时候执行的线程切换，会导致问题。如两个线程对一个变量 99 进行 +1 操作，得到的结果可能是 100，也可能是 101。
因此线程访问变量 num 时应该阻止其他线程访问，直到线程 1 完成运算。这就是『同步』。
18.3.2 临界区位置
临界区定义为如下这种形式。
函数内同时运行多个线程时引起问题的多条语句构成的代码块
示例 thread4.c 中寻找临界区。全局变量 num 是否应该视为临界区？不是，因为它不是引起问题的语句。
下面观察 thread4.c 中的 2 个 main 函数。
void *thread_inc(void *arg) {
int i;
for(i = 0; i < 50000000; i++)
num += 1; // 临界区
return NULL;
}
void *thread_des(void *arg) {
int i;
for(i = 0; i < 50000000; i++)
num -= 1; // 临界区
return NULL;
}
由代码注释可知，临界区并非 num 本身，而是访问 num 的 2 条语句。这 2 条语句可能由多个线程同时运行，也是引起问题的直接原因。产生的问题可以整理为如下 3 种情况。
- 2 个线程同时执行 thread_inc 函数
- 2 个线程同时执行 thread_des 函数
- 2 个线程分别执行 thread_inc 和 thread_des 函数
观察最后一点，说明 2 条不同语句由不同线程同时执行时，也有可能构成临界区。前提是这 2 条语句访问同一内存空间。
18.4 线程同步
前面探讨了线程中存在的问题，接下来就要讨论解决方法——线程同步。
18.4.1 同步的两面性
线程同步用于解决线程访问顺序引发的问题。需要同步的情况可以从如下两方面考虑。
- 同时访问同一内存空间时发生的情况
- 需要指定访问同一内存空间的线程执行顺序的情况
情况一已经解释过，讨论情况二。这是『控制线程执行顺序』的相关内容。假设有 A、B 两个线程，线程 A 负责向指定内存写入数据，线程 B 负责取走该数据。这种情况下，线程 A 首先应该访问约定的内存空间并保存数据。万一线程 B 先访问并取走数据，将导致错误结果。像这种需要控制执行顺序的情况也需要使用同步技术。
18.4.2 互斥量
互斥量也称互斥锁，可以用来保证一个对象在某一时刻只有一个线程访问。下面介绍互斥量的创建及销毁函数。
#include 从上述函数声明中也可以看出，为了创建相当于锁系统的互斥量，需要声明如下 pthread_mutex_t 型变量：
pthread_mutex_t mutex;
该变量的地址将传递给 pthread_mutex_init 函数，用来保存操作系统创建的互斥量（锁系统）。调用 pthread_mutex_destroy 函数时同样需要该信息。如果不需要配置特殊的互斥量属性，则向第二个参数传递 NULL 时，可以利用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏进行如下声明：
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
但推荐各位尽可能使用 pthread_mutex_init 函数进行初始化，因为通过宏进行初始化时很难发现发生的错误。
接下来介绍利用互斥量锁住或释放临界区时使用的函数。
#include 函数名本身含有 lock、unlock 等词汇，很容易理解其含义。进入临界区前调用的函数就是 pthread_mutex_lock。调用该函数时，发现有其他线程已进入临界区，则 pthread_mutex_lock 函数不会返回，直到里面的线程调用 pthread_mutex_unlock 函数退出临界区为止。也就是说，其他线程让出临界区之前，当前线程一直处于阻塞状态。
pthread_mutex_lock(&mutex);
//临界区开始
//...
//临界区结束
pthread_mutex_unlock(&mutex);
接下来利用互斥量解决示例 thread4.c 中遇到的问题，代码参考 mutex.c 文件。
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc mutex.c -D_REENTRANT -o mutex.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./mutex.exe
result: 0
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
可以看出线程已经同步。
18.4.3 信号量
（我的理解）信号量，一个计数器锁，P 操作使信号量 -1，V 操作使信号量 +1，如果信号量为 0，则阻塞。
下面给出信号量创建及销毁方法。
#include 接下来介绍进行信号量加减一操作的函数。
#include 调用 sem_init 函数时，操作系统将创建信号量对象，此对象中记录着『信号量值』整数。该值在调用 sem_post 函数时增 1，调用 sem_wait 函数时减 1。但信号量的值不能小于 0。在信号量为 0 时调用 sem_wait 函数将阻塞。
假设信号量的初始值为 1，可以通过如下形式同步临界区。
sem_wait(&sem); // 信号量变为0...
// 临界区的开始
// ......
// 临界区的结束
sem_post(&sem); // 信号量变为1...
接下来给出信号量相关示例，即将介绍的示例并非关于同步访问的同步，而是关于控制访问顺序的同步。该示例的场景如下：
线程 A 从用户输入得到值后存入全局变量 num，此时线程 B 将取走该值并累加。该过程共进行 5 次，完成后输出总和并退出程序。
代码参考 semaphore.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc semaphore.c -D_REENTRANT -o sema.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./sema.exe
Input num: 1
Input num: 2
Input num: 3
Input num: 4
Input num: 5
Result: 15
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
18.5 线程的销毁和多线程并发服务器端的实现
18.5.1 销毁线程的 3 种方法
我怎么只看到 2 种。。
Linux 线程并不是在首次调用的线程 main 函数返回时自动销毁，所以用如下 2 种方法之一加以明确。否则由线程创建的内存空间将一直存在。
- 调用 pthread_join 函数
- 调用 pthread_detach 函数
第一种方法会进行阻塞，也已经介绍过。第二种方法的函数调用方式如下。
#include 该方法不会进入阻塞，线程的主函数结束后之间释放资源。
15.5.2 多线程并发服务器端的实现
本节并不打算介绍回声服务器端，而是介绍多个客户端之间可以交换信息的简单的聊天程序。
代码参考 chat_server.c 文件和 chat_clnt.c 文件
运行结果
# 服务器端
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc chat_server.c -D_REENTRANT -o cserv.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ gcc chat_clnt.c -D_REENTRANT -o cclnt.exe -lpthread
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./cserv.exe 9191
Connected client IP: 127.0.0.1
Connected client IP: 127.0.0.1
^C
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
# 客户端 1
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./cclnt.exe 127.0.0.1 9191 持续
fuck
[持续] fuck
[莲刃] wdnmd
q
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
# 客户端 2
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$ ./cclnt.exe 127.0.0.1 9191 莲刃
[持续] fuck
wdnmd
[莲刃] wdnmd
q
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-18$
服务器端代码中，应该掌握临界区的构成形式。『访问全局变量 clnt_cnt 和 数组 clnt_socks 的代码构成临界区』
18.6 习题
以下是我的理解，详细题目参照原书
- 单 CPU 系统中如何同时执行多个进程？请解释该过程中发生的上下文切换。
通过分时『同时』执行多个进程。
上下文切换，进程切换时必要的数据切换。
- 为何线程的上下文切换速度相对更快？线程间数据交换为何不需要类似 IPC 特别技术？
线程进行上下文切换需要切换的东西相对较少。
因为线程间有公共的内存空间。
- 请从执行流角度说明进程和线程的区别。
进程：在操作系统构成单独执行流的单位
线程：在进程构成单独执行流的单位
- 下面关于临界区的说法错误的是？
b、c、d
- 下列关于线程同步的描述错误的是？
d
- 请说明完全销毁 Linux 线程的 2 种办法
调用 pthread_join 函数，阻塞
调用 pthread_detach 函数，非阻塞
7、8 代码题
略