Linux多线程编程小结——干货

对于linux下的多线程而言，这里我们需要区分几个概念：

1、信号量

2、互斥变量（递归和非递归）

3、条件变量

4、共享锁（读写锁）（适用于读的次数远大于写的情况）

 

信号量（sem）相当于是操作系统中PV操作的实现，支持wait和post操作，当信号量的值为0的时候，wait操作将会阻塞当前线程，而当post操作之后，信号量的值将递增1，阻塞线程将会恢复运行状态。信号量不一定是资源的锁定，也可以是某些计算处理的发生。

 

互斥变量（mutex）强调的是资源的共享使用，当试图使用资源的时候必须先尝试获取互斥变量进行加锁操作（lock），如果当前互斥变量被其他线程占用，则阻塞当前线程并等待解锁，互斥变量不适合于等待某种条件满足而阻塞等待的情况，因为等待的时间并无法确定。它包括 4 种操作，分别是创建，销毁，加锁和解锁。

 

条件变量（condition）强调的是对于资源或者某种条件满足的等待，它需要和互斥变量结合使用，它弥补了互斥变量不确定等待所导致的缺陷问题。它包括5 种操作：创建，销毁，触发，广播和等待。这里需要注意的是，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。也就是说，pthread_cond_wait和pthread_cond_timewait必须在mutex的锁定区域内使用。此外，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，可以认为，pthread_cond_signal是对pthread_cond_broadcast的优化，signal效率较broadcast高些（When in doubt, broadcast!）。这里建议在 Linux 平台上要出发条件变量之前要检查是否有等待的线程，只有当有线程在等待时才对条件变量进行触发。

 

共享锁（rw_lock）支持读共享，写互斥，它适用于读的情况多于写的情况。

对于上述的各种同步机制，都有相应的初始化方式，其中包括静态初始化（宏初始化）和动态初始化（*_init）。

 

需要清楚的是，linux系统中线程程序库是POSIX pthread，该线程库是基于C进行的，而我们知道C语言是面向过程的编程语言，而OO思想（面向对象思想）则更适合大部分的程序设计，那么如何采用C++来实现多线程编程则成为了一个必须解决的问题。对于多线程的创建，需要提供正确的线程函数的地址，然而，对于C++的类而言，类成员是在类被实例化成为对象后才存在的，即在编译时是不存在的，编译器无法取得函数的确切入口地址，自然无法通过编译。而为了解决函数地址的确定问题，可以采用静态类成员的方式，但是静态成员只能调用类的其他静态成员函数，这样有可能导致所有的类成员最后都成为静态成员。值得注意的是，线程函数允许传入一个参数，这个参数为解决上述的问题提供了可能性。具体的做法是，线程函数仍未静态成员，但是传入的参数则是某个类实例的指针，然后在线程函数里面调用具体的成员函数，以此来解决静态成员函数的调用问题。

 

对于多线程的释放问题，这里涉及到线程的属性问题，线程在创建的时候可以指定线程的状态，包括joinable和detach两种状态，对于前者，线程的资源由主线程来负责释放，并且同一个线程只能被一个线程执行join操作，即等待结束，然后由等待线程负责对线程的资源进行释放。而对于后者，当线程结束的时候，由操作系统负责线程资源的回收。两种方式确保在使用多线程的时候避免潜在的内存泄漏问题。需要注意的是，如果设置一个线程的分离属性，而这个线程运行又非常快，那么它很可能在pthread_create 函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这时调用pthread_create 的线程就得到了错误的线程号。而线程的结束有三种方式：一种是线程函数运行结束并返回，一种是线程函数调用pthread_exit退出，最后一种是由其他线程调用线程结束函数pthread_cancel来结束指定线程，而被指定线程则在函数结束点尝试结束线程活动，这里的函数结束点通常是sleep函数运行处（延迟取消）。

 

根据对linux内核的学习，进程的创建需要在内核表中创建相应的结构体，任何拷贝父进程的所有资源，这里的拷贝也只是写时复制的方式，然后对CPU的一些参数（寄存器的状态）做必要的调整。而对于线程而言，它则是轻量级的进程，线程按照其调度者可以分为用户级线程和核心级线程两种。不同的线程库可能采用不同的方式使线程和进程进行对应，包括NPTL（Native POSIX Threading Library）和NGPT（NextGeneration POSIX Threads）。运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间。

对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信（进程间的通信）的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享则存在互斥访问问题以及线程之间的同步问题。

 

对于mutex应该多大的问题，这里的大小是相对的，如mutex锁定到解锁之间的代码只有一行，比起有10行的就小了。原则是：尽可能大，但不要太大（As big as neccessary, but no bigger）。考虑下面的因素：

1> mutex并不是免费的，是有开销的，不要太小了，太小了程序只忙于锁定和解锁了。

2> mutex锁定的区域是线性执行的，若太大了，没有发挥出并发的优越性。

3> 自己掂量1和2，根据实际情况定，或者尝试着去做。