LinuxC/C++ 线程、锁和条件变量

LinuxC/C++ 线程、锁和条件变量

线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位. 一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务，它们共享该进程所拥有的资源.

Linux下线程默认栈的大小为8M，可以使用ulimit -s命令查看：

创建线程

首先需要手动链接pthread.h头文件.
如果使用CMake，需要在CMakeLists.txt文件最后加上：

# first是编译后二进制文件名
TARGET_LINK_LIBRARIES(first pthread)

pthread.h直接提供了创建线程的API：

#include 

// 成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, 
					const pthread_attr_t *restrict attr,
					void *(start_rtn)(void *),
					void *restrict arg);

• tidp：线程Id.
• attr：用于定制线程的属性，默认则置为NULL.
• start_rtn：线程创建成功后运行的回调函数.
• arg：传进start_rtn函数的参数.

线程要执行的回调函数：

void *thread_callback(void *arg) {
	// TODO
}

终止线程

#include 

void pthread_exit(void *rval_ptr);

• retval表示线程退出状态，通常传NULL.

用于强制退出线程（还未执行完毕）.

阻塞线程

#include <pthread.h>

// 
int pthread_join(pthread thread, void **rval_ptr);

• pthread_t thread: 待阻塞线程的线程号.
• void **retval : 指向一个指向阻塞线程的返回码的指针的指针，一般传NULL.

pthread_join()主要有两种作用：

1. 用于等待其他线程结束：当调用 pthread_join() 时，当前线程会处于阻塞状态，直到被调用的线程结束后，当前线程才会重新开始执行.
2. 对线程的资源进行回收：如果一个线程是非分离的（默认情况下创建的线程都是非分离）并且没有对该线程使用 pthread_join() 的话，该线程结束后并不会释放其内存空间，这会导致该线程变成了“僵尸线程”.

锁

互斥锁

并发环境下为了保证线程安全，可以对临界资源加上锁，确保同一时间只有一个线程访问数据. 互斥锁加锁失败后，线程释放CPU，给其他线程.

初始化锁：

#include 

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
						const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

• mutex：待初始化的锁.
• attr：锁的属性，默认则设置为NULL.

加锁和解锁：

#include 

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);

自旋锁

自旋锁加锁失败后，线程会忙等待，直到它拿到锁.

初始化锁：

#include 

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock,
						int pshared);

加锁和解锁：

#include 

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

使用互斥锁还是自旋锁主要看临界区的工作量怎么样，如果工作量小（付出的代价小于线程切换上下文）可以使用自旋锁，如果工作量大（付出的代价大于线程切换上下文）则可以选择使用互斥锁.

条件变量

上面提到的pthread_join()函数可以阻塞当前的线程，等待子线程执行完毕，实际上是一种线程同步的机制，而条件变量则是线程同步的另外一种机制.
条件变量一般与互斥锁一起使用，互斥锁只有两种状态：锁定和非锁定，而条件变量可以通过线程阻塞和等待另一个线程发送信号， 从而弥补互斥锁的不足.

初始化条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, 
						const pthread_condattr_t *restrict attr);

让当前线程阻塞等待

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, 
						pthread_mutex_t *restrict mutex);

当前线程会进入等待队列，然后进入休眠，等待唤醒.

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

唤醒所有阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

条件变量的使用

A线程：

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (false == ready) {
     pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex); 

B线程：

pthread_mutex_lock(&mutex);
ready = true;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond);

一共会出现两种情况：

1. 如果 Thread A 先拿到 mutex，那么此时 ready 为 false，Thread A 调用 pthread_cond_wait 进入等待队列，接着释放 mutex，然后 Thread B 才能修改 ready，并 signal.
2. 如果 Thread A 没有拿到 mutex，Thread B 拿到 mutex，然后修改 ready 为 true，然后释放锁，这样 Thread A 在拿到 mutex，就不会再进 while 循环调 wait 了.