每个程序员应该彻底掌握的多线程编程（Linux C）-JieYingAI捷鹰AI

多线程编程可以说每个程序员的基本功，同时也是开发中的难点之一，本文以Linux C为例，讲述了线程的创建及常用的几种线程同步的方式，最后对多线程编程进行了总结与思考并给出代码示例。

一、创建线程

多线程编程的第一步，创建线程。创建线程其实是增加了一个控制流程，使得同一进程中存在多个控制流程并发或者并行执行。

线程创建函数，其他函数这里不再列出，可以参考pthread.h。

#include
int pthread_create(
    pthread_t *restrict thread,  /*线程id*/
	const pthread_attr_t *restrict attr,    /*线程属性，默认可置为NULL，表示线程属性取缺省值*/
	void *(*start_routine)(void*),  /*线程入口函数*/ 
	void *restrict arg  /*线程入口函数的参数*/
	);

代码示例：

#include
#include
#include
#include
#include
char* thread_func1(void* arg) {
    pid_t pid = getpid();
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)n", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
    char* msg = "thread_func1";
    return msg;
}
void* thread_func2(void* arg) {
    pid_t pid = getpid();
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)n", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
    char* msg = "thread_func2 ";
    while(1) {
        printf("%s runningn", msg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    if (pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func1, "new thread:") != 0) {
        printf("pthread_create error.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func2, "new thread:") != 0) {
        printf("pthread_create error.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    pthread_detach(tid2);
    char* rev = NULL;
    pthread_join(tid1, (void *)&rev);
    printf("%s return.n", rev);
    pthread_cancel(tid2);
    printf("main thread end.n");
    return 0;
}

二、线程同步

有时候我们需要多个线程相互协作来执行，这时需要线程间同步。线程间同步的常用方法有：

我们先看一个未进行线程同步的示例：

#include
#include
#include
#include
#include
#define LEN 100000
int num = 0;
void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i< LEN; ++i) {
        num += 1;
    }
    
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, NULL);
    char* rev = NULL;
    pthread_join(tid1, (void *)&rev);
    pthread_join(tid2, (void *)&rev);
    printf("correct result=%d, wrong result=%d.n", 2*LEN, num);
    return 0;
}

运行结果：correct result=200000, wrong result=106860.。

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【1】互斥

这个是最容易理解的，在访问临界资源时，通过互斥，限制同一时刻最多只能有一个线程可以获取临界资源。

其实互斥的逻辑就是：如果访问临界资源发现没有其他线程上锁，就上锁，获取临界资源，期间如果其他线程执行到互斥锁发现已锁住，则线程挂起等待解锁，当前线程访问完临界资源后，解锁并唤醒其他被该互斥锁挂起的线程，等待再次被调度执行。

“挂起等待”和“唤醒等待线程”的操作如何实现？每个Mutex有一个等待队列，一个线程要在Mutex上挂起等待，首先在把自己加入等待队列中，然后置线程状态为睡眠，然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程，只需从等待队列中取出一项，把它的状态从睡眠改为就绪，加入就绪队列，那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。

主要函数如下：

#include 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,     
       const pthread_mutexattr_t *restrict attr);       /*初始化互斥量*/
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);      /*销毁互斥量*/
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

用互斥解决上面计算结果错误的问题，示例如下：

#include
#include
#include
#include
#include
#define LEN 100000
int num = 0;
void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_t* p_mutex = (pthread_mutex_t*)arg;
    for (int i = 0; i< LEN; ++i) {
        pthread_mutex_lock(p_mutex);
        num += 1;
        pthread_mutex_unlock(p_mutex);
    }
    
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_mutex_t m_mutex;
    pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL);
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex);
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&m_mutex);
    printf("correct result=%d, result=%d.n", 2*LEN, num);
    return 0;
}

运行结果：correct result=200000, result=200000.

如果在互斥中还嵌套有其他互斥代码，需要注意死锁问题。

产生死锁的两种情况：

如何避免死锁：

不用互斥锁（这个很多时候很难办到）写程序时应该尽量避免同时获得多个锁。如果一定有必要这么做，则有一个原则：如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序（常见的是按Mutex变量的地址顺序）获得锁，则不会出现死锁。（比如一个程序中用到锁1、锁2、锁3，它们所对应的Mutex变量的地址是锁1唤醒后加锁返回）

上面的例子可能有些繁琐，下面的这个代码示例则更为简洁：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define NUM 3
pthread_cond_t condv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
void producer(void* arg) {
    int n = NUM;
    while(n--) {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&condv);
        printf("producer thread send notify signal. %dt", NUM-n);
    }
}
void consumer(void* arg) {
    int n = 0;
    while (1) {
        pthread_cond_wait(&condv, &mlock);
        printf("recv producer thread notify signal. %dn", ++n);
        if (NUM == n) {
            break;
        }
    }
}
int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL);
    
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    return 0;
}

运行结果：

producer thread send notify signal. 1   recv producer thread notify signal. 1
producer thread send notify signal. 2   recv producer thread notify signal. 2
producer thread send notify signal. 3   recv producer thread notify signal. 3

【3】信号量

信号量适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源。用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待时，该计数值减一；当线程完成一次对semaphore对象的释放时，计数值加一。当计数值为0时，线程挂起等待，直到计数值超过0.

主要函数如下：

#include 
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t * sem);
int sem_destroy(sem_t * sem);

代码示例如下：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define NUM 5
int queue[NUM];
sem_t psem, csem; 
void producer(void* arg) {
    int pos = 0;
    int num, count = 0;
    for (int i=0; i<12; ++i) {
        num = rand() % 100;
        count += num;
        sem_wait(&psem);
        queue[pos] = num;
        sem_post(&csem);
        printf("producer: %dn", num); 
        pos = (pos+1) % NUM;
        sleep(rand()%2);
    }
    printf("producer count=%dn", count);
}
void consumer(void* arg){
    int pos = 0;
    int num, count = 0;
    for (int i=0; i<12; ++i) {
        sem_wait(&csem);
        num = queue[pos];
        sem_post(&psem);
        printf("consumer: %dn", num);
        count += num;
        pos = (pos+1) % NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
    printf("consumer count=%dn", count);    
} 
int main() {
    sem_init(&psem, 0, NUM);
    sem_init(&csem, 0, 0);
    pthread_t tid[2];
    pthread_create(&tid[0], NULL, (void*)producer, NULL);
    pthread_create(&tid[1], NULL, (void*)consumer, NULL);
    pthread_join(tid[0], NULL);
    pthread_join(tid[1], NULL);
    sem_destroy(&psem);
    sem_destroy(&csem);
    return 0;
}

信号量的执行逻辑：

当需要获取共享资源时，先检查信号量，如果值大于0，则值减1，访问共享资源，访问结束后，值加1，如果发现有被该信号量挂起的线程，则唤醒其中一个线程；如果检查到信号量为0，则挂起等待。

三、多线程编程总结与思考

最后，我们对多线程编程进行总结与思考。

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THE END