Linux 多线程编程.docx

进行多线程编程，最头疼的就是那些共享的数据。因为你无法知道哪个线程会在哪个时候对它进行操作，你也无法得知那个线程会先运行，哪个线程会后运行。下面介绍一些技术，通过他们，你会合理安排你的线程之间对资源的竞争。l互斥体Mutexl信号灯Semophorel条件变量Conditions先说一下互斥量。什么时候会用上互斥量了？比如你现在有一全局链表，你有几个工作线程。每一个线程从该链表中取出头节点，然后对该头节点进行处理。比如现在线程1正在取出头节点，他的操作如下：Item * p =queue_list;Queue_list=queue_list-next;Process_job(p);Free(p);当线程1处理完第一步，也就是Item *p=queue_list后，这时候系统停止线程1的运行，改而运行线程2。线程2照样取出头节点，然后进行处理，最后释放了该节点。过了段时间，线程1重新得到运行。而这个时候，其实p所指向的节点已经被线程2释放掉，而线程1对此毫无知晓。他会接着运行process_job(p)。而这将导致无法预料的后果！对于这种情况，系统给我们提供了互斥量。你在取出头节点前必须要等待互斥量，如果此时有其他线程已经获得该互斥量，那么线程将会阻塞在这个地方。只有等到其他线程释放掉该互斥量后，你的线程才有可能得到该互斥量。为什么是可能了？因为可能此时有不止你一个线程在等候该互斥量，而系统无法保证你的线程将会优先运行。互斥量的类型为pthread_mutex_t。你可以声明多个互斥量。在声明该变量后，你需要调用pthread_mutex_init()来创建该变量。pthread_mutex_init的格式如下：intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,constpthread_mutex-attr_t *mutexattr);第一个参数，mutext，也就是你之前声明的那个互斥量，第二个参数为该互斥量的属性。这个将在后面详细讨论。在创建该互斥量之后，你便可以使用它了。要得到互斥量，你需要调用下面的函数：int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);该函数用来给互斥量上锁，也就是我们前面所说的等待操作。互斥量一旦被上锁后，其他线程如果想给该互斥量上锁，那么就会阻塞在这个操作上。如果在此之前该互斥量已经被其他线程上锁，那么该操作将会一直阻塞在这个地方，直到获得该锁为止。在得到互斥量后，你就可以进入关键代码区了。同样，在操作完成后，你必须调用下面的函数来给互斥量解锁，也就是前面所说的释放。这样其他等待该锁的线程才有机会获得该锁，否则其他线程将会永远阻塞。int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);下面给出一个简单的例子：#include #include struct job /* Link field for linked list. */struct job* next;/* Other fields describing work to be done. */;/* A linked list of pending jobs. */struct job* job_queue;/* A mutex protecting job_queue. */pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/* Process queued jobs until the queue is empty. */void* thread_function (void* arg)while (1) struct job* next_job;/* Lock the mutex on the job queue. */pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex);/* Now its safe to check if the queue is empty. */if (job_queue = NULL)next_job = NULL;else /* Get the next available job. */next_job = job_queue;/* Remove this job from the list. */job_queue = job_queue-next;/* Unlock the mutex on the job queue because were done with thequeue for now. */pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex);/* Was the queue empty? If so, end the thread. */if (next_job = NULL)break;/* Carry out the work. */process_job (next_job);/* Clean up. */free (next_job);return NULL;在这个例子中我们使用了下面一条语句：pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;他的作用和调用pthread_mutex_init()函数一样。如果一个线程已经给一个互斥量上锁了，后来在操作的过程中又再次调用了该上锁的操作，那么该线程将会无限阻塞在这个地方，从而导致死锁。怎么变了？这就需要我们之前所提到的互斥量的属性。互斥量分为下面三种：l快速型。这种类型也是默认的类型。该线程的行为正如上面所说的。l递归型。如果遇到我们上面所提到的死锁情况，同一线程循环给互斥量上锁，那么系统将会知道该上锁行为来自同一线程，那么就会同意线程给该互斥量上锁。l错误检测型。如果该互斥量已经被上锁，那么后续的上锁将会失败而不会阻塞，pthread_mutex_lock()操作将会返回EDEADLK。互斥量的属性类型为pthread_mutexattr_t。声明后调用pthread_mutexattr_init()来创建该互斥量。然后调用int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);来设置属性。int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);格式如下：int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);第一个参数，attr，就是前面声明的属性变量，第二个参数,kind，就是我们要设置的属性类型。他有下面几个选项：lPTHREAD_MUTEX_FAST_NPlPTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NPlPTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP下面给出一个使用属性的简单过程：pthread_mutex_t mutex;pthread_mutexattr_t attr;pthread_mutexattr_init(&attr);pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP);pthread_mutex_init(&mutex,&attr);pthread_mutex_destroy(&attr);前面我们提到在调用pthread_mutex_lock()的时候，如果此时mutex已经被其他线程上锁，那么该操作将会一直阻塞在这个地方。如果我们此时不想一直阻塞在这个地方，那么可以调用下面函数：pthread_mutex_trylock()如果此时互斥量没有被上锁，那么pthread_mutex_trylock()将会返回0，并会对该互斥量上锁。如果互斥量已经被上锁，那么会立刻返回EBUSY。上面谈到的是使用互斥量。如果碰到下面这种情况，该怎么办了？还是上面程序中提到的工作链表。此时必然有一个生产者线程，用于往链表里添加节点。如果这一段时间没有工作，那么工作线程将会不停的调用lock,unlock操作。而这样的操作毫无疑义。在这里系统给我们提供了另外一种同步机制，信号灯,Semaphore。信号灯其实就是一个计数器，也是一个整数。每一次调用wait操作将会使semaphore值减一，而如果semaphore值已经为0，则wait操作将会阻塞。每一次调用post操作将会使semaphore值加一。将这些操作用到上面的问题中。工作线程每一次调用wait操作，如果此时链表中没有节点，则工作线程将会阻塞，直到链表中有节点。生产者线程在每次往链表中添加节点后调用post操作，信号灯值会加一。这样阻塞的工作线程就会停止阻塞，继续往下执行。信号灯的类型为sem_t。在声明后必须调用sem_init()。需要传递两个参数，第一个参数就是你之前声明的sem_t变量，第二个必须为0。当你不再需要信号灯时，你必须调用sem_destroy()来释放资源。等待信号灯的操作为sem_wait()。投递一个信号的操作为sem_wait()。和互斥量一样，等待信号灯也有一个非阻塞的操作，sem_trywait()。该操作在没有信号灯的时候返回EAGAIN。下面是一个结合了互斥量和信号灯的例子：#include #include #include struct job /* Link field for linked list. */struct job* next;/* Other fields describing work to be done. */;/* A linked list of pending jobs. */struct job* job_queue;/* A mutex protecting job_queue. */pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/* A semaphore counting the number of jobs in the queue. */sem_t job_queue_count;/* Perform one-time initialization of the job queue. */void initialize_job_queue ()/* The queue is initially empty. */job_queue = NULL;/* Initialize the semaphore which counts jobs in the queue. Itsinitial value should be zero. */sem_init (&job_queue_count, 0, 0);/* Process queued jobs until the queue is empty. */void* thread_function (void* arg)while (1) struct job* next_job;/* Wait on the job queue semaphore. If its value is positive,indicating that the queue is not empty, decrement the count by1. If the queue is empty, block until a new job is enqueued. */sem_wait (&job_queue_count);/* Lock the mutex on the job queue. */pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex);/* Because of the semaphore, we know the queue is not empty. Getthe next available job. */next_job = job_queue;/* Remove this job from the list. */job_queue = job_queue-next;/* Unlock the mutex on the job queue because were done with thequeue for now. */pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex);/* Carry out the work. */process_job (next_job);/* Clean up. */free (next_job);return NULL;/* Add a new job to the front of the job queue. */void enqueue_job (/* Pass job-specific data here. */)struct job* new_job;/* Allocate a new job object. */new_job = (struct job*) malloc (sizeof (struct job);/* Set the other fields of the job struct here. */* Lock the mutex on the job queue before accessing it. */pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex);/* Place the new job at the head of the queue. */new_job-next = job_queue;job_queue = new_job;/* Post to the semaphore to indicate that another job is available. Ifthreads are blocked, waiting on the semaphore, one will becomeunblocked so it can process the job. */sem_post (&job_queue_count);/* Unlock the job queue mutex. */pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex);下面说一下第三种同步机制条件变量。如果现在在等待一个信号。如果该信号被设置，则继续运行。如果没有条件变量，我们将会不停的去查询该信号是否被设置，这样就会浪费大量的cpu。而通过使用条件变量，我们就可以将等待信号的线程阻塞，直到有信号的时候再去唤醒它。条件变量的类型是pthread_cond_t。下面简单说一下如何使用条件变量。l声明pthread_cond_t变量后，调用pthread_cond_init()函数，第一个参数为之前声明的变量。第二个参数在Linux中不起作用。l声明一个pthread_mutex_t变量