线程概念:操作系统调度的最小单位 线程就是轻量级进程(LWP)
线程也是 struct task_struct结构体 :
pid & tgid :
对于同一进程中的所有线程,tgid都是一致的,为该进程的进程ID。线程是轻量级的进程,有自己的PID,只不过共享进程的一些数据,比如说堆。
线程的优缺点:
优点:创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多。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IO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,为了能在多处理器系统上运行,将计算分解到多个线程中实现。IO密集型应用,为了提高性能,将IO操作重叠,线程可以同时等待不同的IO操作。
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,换句话说,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。编程难度提高: 编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难
单个线程如果出现除零、野指针等问题导致线程崩溃,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就随即退出。
合理的使用多线程,能提高CPU密集型程序的执行效率。
合理的使用多线程,能提高IO密集型程序的用户体验(如生活中我们一边写代码一边下载开发工具,就是多线程运行的一种表现)。
线程和进程的区别;
进程是承担分配系统资源的基本实体,线程是调度的基本单位。线程共享进程数据,但也拥有自己的一部分数据:线程ID。一组寄存器。(存储每个线程的上下文信息)栈。(每个线程都有临时的数据,需要压栈出栈)errno。(C语言提供的全局变量,每个线程都有自己的)信号屏蔽字。调度优先级。进程的多个线程共享。
2.线程控制
线程创建:创建线程的函数叫做pthread_create
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
thread:获取创建成功的线程ID,该参数是一个输出型参数。
attr:用于设置创建线程的属性,传入NULL表示使用默认属性。
start_routine:该参数是一个函数地址,表示线程例程,即线程启动后要执行的函数。
arg:传给线程例程的参数。
线程创建成功返回0,失败返回错误码。
当一个程序启动时,就有一个进程被操作系统创建,与此同时一个线程也立刻运行,这个线程就叫做主线程。主线程是产生其他子线程的线程。通常主线程必须最后完成某些执行操作,比如各种关闭动作。主线程和新线程的PID和PPID是一样的,也就是说主线程和新线程虽然是两个执行流,但它们仍然属于同一个进程。
常见获取线程ID的方式有两种:创建线程时通过输出型参数获得。通过调用pthread_self函数获得。pthread_t pthread_self(void);调用pthread_self函数即可获得当前线程的ID,类似于调用getpid函数获取当前进程的ID。
线程终止:
从线程函数return。
线程可以自己调用pthread_exit函数终止自己。
一个线程可以调用pthread_cancel函数终止同一进程中的另一个线程。
pthread_exit函数的功能就是终止线程
void pthread_exit(void *retval);
retval:线程退出时的退出码信息。
该函数无返回值,跟进程一样,线程结束的时候无法返回它的调用者(自身)。
pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的,不能在线程函数的栈上分配,因为当其他线程得到这个返回指针时,线程函数已经退出了。
exit函数的作用是终止进程,任何一个线程调用exit函数也代表的是整个进程终止。
线程是可以被取消的,我们可以使用pthread_cancel函数取消某一个线程
int pthread_cancel(pthread_t thread);
thread:被取消线程的ID。
线程取消成功返回0,失败返回错误码。
线程是可以取消自己的,取消成功的线程的退出码一般是-1 新线程也是可以取消主线程的。当采用这种取消方式时,主线程和各个新线程之间的地位是对等的,取消一个线程,其他线程也是能够跑完的,只不过主线程不再执行后续代码了。我们一般都是用主线程去控制新线程,这才符合我们对线程控制的基本逻辑,虽然实验表明新线程可以取消主线程,但是并不推荐该做法。
线程等待:
一个线程被创建出来,这个线程就如同进程一般,也是需要被等待的。如果主线程不对新线程进行等待,那么这个新线程的资源也是不会被回收的。所以线程需要被等待,如果不等待会产生类似于“僵尸进程”的问题,也就是内存泄漏。等待线程的函数叫做pthread_join pthread_join函数默认是以阻塞的方式进行线程等待的。
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
thread:被等待线程的ID。retval:线程退出时的退出码信息。线程等待成功返回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。
如果thread线程通过return返回,retval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异常终止掉,retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的,retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
如果对thread线程的终止状态不感兴趣,可以传NULL给retval参数。
一旦某个线程崩溃了,整个进程也就跟着挂掉了,此时主线程连等待新线程的机会都没有,这也说明了多线程的健壮性不太强,一个进程中只要有一个线程挂掉了,那么整个进程就挂掉了。并且此时我们也不知道是由于哪一个线程崩溃导致的,我们只知道是这个进程崩溃了。所以pthread_join函数只能获取到线程正常退出时的退出码,用于判断线程的运行结果是否正确。
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,从而造成内存泄漏。但如果我们不关心线程的返回值,join也是一种负担,此时我们可以将该线程进行分离,后续当线程退出时就会自动释放线程资源。一个线程如果被分离了,这个线程依旧要使用该进程的资源,依旧在该进程内运行,甚至这个线程崩溃了一定会影响其他线程,只不过这个线程退出时不再需要主线程去join了,当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离,也可以是线程自己分离。joinable和分离是冲突的,一个线程不能既是joinable又是分离的。
分离线程的函数叫做pthread_detach
int pthread_detach(pthread_t thread);
thread:被分离线程的ID。
线程分离成功返回0,失败返回错误码。
3.线程安全
互斥:作用:保证多个线程在运行过程过程当中对临界资源访问的原子性互
互斥锁;加锁解锁
初始化互斥量的函数叫做pthread_mutex_init
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
mutex:需要初始化的互斥量。attr:初始化互斥量的属性,一般设置为NULL即可。
互斥量初始化成功返回0,失败返回错误码。
调用pthread_mutex_init函数初始化互斥量叫做动态分配
静态分配 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
销毁互斥量的函数叫做pthread_mutex_destroy
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
mutex:需要销毁的互斥量。 互斥量销毁成功返回0,失败返回错误码。
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。
互斥量加锁的函数叫做pthread_mutex_lock
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
mutex:需要加锁的互斥量。 互斥量加锁成功返回0,失败返回错误码。
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_mutex_lock
调用会陷入阻塞(执行流被挂起),等待互斥量解锁。
互斥量解锁的函数叫做pthread_mutex_unlock
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
mutex:需要解锁的互斥量。 互斥量解锁成功返回0,失败返回错误码。
同步:作用:在保证互斥前提下, 多个线程对临界资源访问的合理性
条件变量:等待接口 唤醒接口
初始化条件变量的函数叫做pthread_cond_init
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
cond:需要初始化的条件变量。
attr:初始化条件变量的属性,一般设置为NULL即可。
条件变量初始化成功返回0,失败返回错误码。
毁条件变量的函数叫做pthread_cond_destroy
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
cond:需要销毁的条件变量。
条件变量销毁成功返回0,失败返回错误码。
等待条件变量满足的函数叫做pthread_cond_wait
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
cond:需要等待的条件变量。
mutex:当前线程所处临界区对应的互斥锁。
函数调用成功返回0,失败返回错误码。
唤醒等待的函数
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_signal函数用于唤醒等待队列中首个线程。
pthread_cond_broadcast函数用于唤醒等待队列中的全部线程。
cond:唤醒在cond条件变量下等待的线程。
函数调用成功返回0,失败返回错误码。
等待的时候往往是在临界区内等待的,当该线程进入等待的时候,互斥锁会自动释放,而当该线程被唤醒时,又会自动获得对应的互斥锁。
条件变量需要配合互斥锁使用,其中条件变量是用来完成同步的,而互斥锁是用来完成互斥的。
pthread_cond_wait函数有两个功能,一就是让线程在特定的条件变量下等待,二就是让线程释放对应的互斥锁。
非实时信号/实时信号
生产者与消费者模型:
互斥锁+条件变量的方式实现
信号量实现