镜缘浮影 小人本住在 苏州的城外 家里有屋又有田 生活乐无边

线程

2017-01-29
wilmosfang
c
原文地址 http://soft.dog/2017/01/29/c-pthread/

前言

进程的进一步分化产生了线程,线程是更细粒度和更轻量级的进程

引入线程是为了更为精细粒度的分配CPU时间片,节省系统公共资源,更为充分和有效的配置有限运算能力

Tip: 线程,有时被称为轻量级进程(Lightweight Process,LWP),是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID,当前指令指针(PC),寄存器集合和堆栈组成。另外,线程是进程中的一个实体,是被系统独立调度和分派的基本单位,线程自己不拥有系统资源,只拥有一点儿在运行中必不可少的资源,但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程,同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约,致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。就绪状态是指线程具备运行的所有条件,逻辑上可以运行,在等待处理机;运行状态是指线程占有处理机正在运行;阻塞状态是指线程在等待一个事件(如某个信号量),逻辑上不可执行。每一个程序都至少有一个线程,若程序只有一个线程,那就是程序本身。线程是程序中一个单一的顺序控制流程。进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,是系统独立调度和分派CPU的基本单位指运行中的程序的调度单位。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作,称为多线程

有一个很形象的比喻:

  • 1.单进程单线程:一个人在一个桌子上吃菜
  • 2.单进程多线程:多个人在同一个桌子上一起吃菜
  • 3.多进程单线程:多个人每个人在自己的桌子上吃菜

多线程的问题是多个人同时吃一道菜的时候容易发生争抢,例如两个人同时夹一个菜,一个人刚伸出筷子,结果伸到的时候菜已经被夹走了。此时就必须等一个人夹一口之后,再让给另外一个人夹菜,也就是说资源共享就会发生冲突和争抢

  • 对于 Windows 系统来说,【开桌子】的开销很大,因此 Windows 鼓励大家在一个桌子上吃菜。因此 Windows 多线程学习重点是要大量面对资源争抢与同步方面的问题。

  • 对于 Linux 系统来说,【开桌子】的开销很小,因此 Linux 鼓励大家尽量每个人都开自己的桌子吃菜。这带来新的问题是:坐在两张不同的桌子上,说话不方便。因此,Linux 下的学习重点是大家要学习进程间通讯的方法

Tip: 引自 《多线程有什么用》

这里分享一下我在学习线程过程中的笔记和心得


概要


代码示例

要求

编写单进程多线程程序,用信号量实现一个线程A从标准终端输入一个0-99的整数,另外一个线程B将此数平方后打印输出,交替出现

代码示例

thread.c

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h> //sem_wait,sem_t,sem_post,sem_init 相关定义和声明都包含在内
#include <pthread.h> //pthread_create,pthread_join 相关声明都包含在内
#include <unistd.h> //getpid,getppid

sem_t alock,block; //定义两个信号量类型
int num=0;

void  thread_a(void) //定义线程A的操作内容
{
  do
  {
    sem_wait(&alock); //消费A锁
    printf("please input a number(0-99):\n");
    scanf("%d",&num); //获取输入数值
    if(num < 0 || num > 99) //进行输入校验,如果超出范围,则进行提醒,并且将数值置零
    {
      printf("the number is out of range [0-99]:%d\nwe will set back to 0 as default\n",num);
      num=0;
    }
    sem_post(&block); //释放B锁
  }while(1);
}

void thread_b(void) //定义线程B的操作内容
{
  do
  {
    sem_wait(&block);  //消费B锁
    printf("the sqr of %d is %d\n",num,num*num); //将数值和数值的平方进行打印
    sem_post(&alock);  //释放A锁
  }while(1);
}

int main() 
{
  pthread_t ida=0,idb=0; 
  int ret=0,res=-1;


  if( sem_init(&alock,0,1) || sem_init(&block,0,0)) //初始化两个信号量
  {
    perror("sem_init");
    return res;
  }

  ret=pthread_create(&ida,NULL,(void *)thread_a,NULL); //创建线程A
  ret+=pthread_create(&idb,NULL,(void *)thread_b,NULL); //创建线程B
  if(ret != 0) //如果创建出错,则提醒并返回
  {
    perror("pthread_create");
    return res;
  }
  else printf("two threads have been created\nthreada: %lu\nthreadb: %lu\npid:%d\nppid:%d\n",ida,idb,getpid(),getppid()); 
  pthread_join(ida,NULL); //等待线程A退出
  pthread_join(idb,NULL); //等待线程B退出
  printf("return to main\n");
  res=0;
  return res;
}

编译执行

emacs@ubuntu:~/c$ alias  gtc
alias gtc='gcc -Wall -g -o'
emacs@ubuntu:~/c$ gtc thread.x thread.c -lpthread
emacs@ubuntu:~/c$ ./thread.x 
two threads have been created
threada: 3078675312
threadb: 3070282608
pid:31391
ppid:30925
please input a number(0-99):
1
the sqr of 1 is 1
please input a number(0-99):
2
the sqr of 2 is 4
please input a number(0-99):
3
the sqr of 3 is 9
please input a number(0-99):
-1
the number is out of range [0-99]:-1
we will set back to 0 as default
the sqr of 0 is 0
please input a number(0-99):
100
the number is out of range [0-99]:100
we will set back to 0 as default
the sqr of 0 is 0
please input a number(0-99):
99
the sqr of 99 is 9801
please input a number(0-99):
^C
emacs@ubuntu:~/c$

编译执行过程中没有报错,从结果来看,符合预期

Note: 必须加上 -lpthread 参数,否则会因缺少库文件而报错

emacs@ubuntu:~/c$ gtc thread.x thread.c
/tmp/ccAdj40G.o: In function `thread_a':
/home/emacs/c/thread.c:17: undefined reference to `sem_wait'
/home/emacs/c/thread.c:25: undefined reference to `sem_post'
/tmp/ccAdj40G.o: In function `thread_b':
/home/emacs/c/thread.c:34: undefined reference to `sem_wait'
/home/emacs/c/thread.c:36: undefined reference to `sem_post'
/tmp/ccAdj40G.o: In function `main':
/home/emacs/c/thread.c:46: undefined reference to `sem_init'
/home/emacs/c/thread.c:46: undefined reference to `sem_init'
/home/emacs/c/thread.c:52: undefined reference to `pthread_create'
/home/emacs/c/thread.c:53: undefined reference to `pthread_create'
/home/emacs/c/thread.c:60: undefined reference to `pthread_join'
/home/emacs/c/thread.c:61: undefined reference to `pthread_join'
collect2: ld returned 1 exit status
emacs@ubuntu:~/c$ gtc thread.x thread.c -lpthread
emacs@ubuntu:~/c$

pthread_t

bits/pthreadtypes.h 中有关于 pthread_t 的定义

/* Thread identifiers.  The structure of the attribute type is not
   exposed on purpose.  */
typedef unsigned long int pthread_t;

可知 pthread_t 其实是 unsigned long int 的别名


sem_t

bits/semaphore.h 中有关于 sem_t 的定义

#include <bits/wordsize.h>

#if __WORDSIZE == 64
# define __SIZEOF_SEM_T 32
#else
# define __SIZEOF_SEM_T 16
#endif


/* Value returned if `sem_open' failed.  */
#define SEM_FAILED      ((sem_t *) 0)


typedef union
{
  char __size[__SIZEOF_SEM_T];
  long int __align;
} sem_t;

可知 sem_t 是一个联合体


sem_init

semaphore.h 中有关于 sem_init 的定义

/* Initialize semaphore object SEM to VALUE.  If PSHARED then share it
   with other processes.  */
extern int sem_init (sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value)
     __THROW;

__sem 指向信号量结构的一个指针

__pshared 不为0时此信号量在进程间共享,否则只能为当前进程的所有线程共享

__value 信号量的初始值

sem_init() 成功时返回 0;错误时,返回 -1,并把 errno 设置为合适的值

可能错误:

EINVAL : value 超过 SEM_VALUE_MAX。
ENOSYS : pshared 非零,但系统还没有支持进程共享的信号量

pthread_create

pthread.h 中有关于 pthread_create 的定义

/* Create a new thread, starting with execution of START-ROUTINE
   getting passed ARG.  Creation attributed come from ATTR.  The new
   handle is stored in *NEWTHREAD.  */
extern int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,
                           __const pthread_attr_t *__restrict __attr,
                           void *(*__start_routine) (void *),
                           void *__restrict __arg) __THROW __nonnull ((1, 3));

用来创建一个线程

__newthread 指向线程标识符的指针

__attr 设置线程属性,一般配置为NULL

(*__start_routine) (void *) 线程运行函数的起始地址

__arg 运行函数的参数,如果没有参数,一般配置为NULL

返回值:成功,返回0;出错,返回-1


pthread_join

pthread.h 中有关于 pthread_join 的定义

/* Make calling thread wait for termination of the thread TH.  The
   exit status of the thread is stored in *THREAD_RETURN, if THREAD_RETURN
   is not NULL.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern int pthread_join (pthread_t __th, void **__thread_return);

调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止,当函数返回时,被等待线程的资源被收回

__th 被等待的线程标识符

__thread_return 为一个用户定义的指针,它可以用来存储被等待线程的返回值


sem_wait

semaphore.h 中有关于 sem_wait 的声明

/* Wait for SEM being posted.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern int sem_wait (sem_t *__sem);

被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0,解除阻塞后将sem的值减一,表明公共资源经使用后减少

__sem 信号量变量


sem_post

semaphore.h 中有关于 sem_post 的声明

/* Post SEM.  */
extern int sem_post (sem_t *__sem) __THROW;

用来增加信号量的值

__sem 信号量变量

成功时返回 0;错误时,信号量的值没有更改,-1 被返回,并设置errno 来指明错误

EINVAL  sem 不是一个有效的信号量 
EOVERFLOW 信号量允许的最大值将要被超过

总结

以下函数可以进行信号量和线程的创建与控制

  • sem_init
  • pthread_create
  • pthread_join
  • sem_wait
  • sem_post

通过各方面资料弄懂其参数的意义和返回值的类型,是熟练掌握的基础

原文地址 http://soft.dog/2017/01/29/c-pthread/

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