淺析C++編程當中的線程
線程的概念
C++中的線程的Text Segment和Data Segment都是共享的，如果定義一個函數(shù)，在各線程中都可以調用，如果定義一個全局變量，在各線程中都可以訪問到。除此之外，各線程還共享以下進程資源和環(huán)境：
- 文件描述符
- 每種信號的處理方式
- 當前工作目錄
- 用戶id和組id
但是，有些資源是每個線程各有一份的：
- 線程id
- 上下文，包括各種寄存器的值、程序計數(shù)器和棧指針
- ?？臻g
- errno變量
- 信號屏蔽字
- 調度優(yōu)先級
我們將要學習的線程庫函數(shù)是由POSIX標準定義的，稱為POSIX thread或pthread。
線程控制
創(chuàng)建線程
創(chuàng)建線程的函數(shù)原型如下：
#include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
返回值：成功返回0,失敗返回錯誤號。
在一個線程中調用pthread_create()創(chuàng)建新的線程后，當前線程從pthread_create()返回繼續(xù)往下執(zhí)行，而新的線程所執(zhí)行的代碼由我們傳給pthread_create的函數(shù)指針start_routine決定。start_routine函數(shù)接收一個參數(shù)，是通過pthread_create的arg參數(shù)傳遞給它的，該參數(shù)類型為void*，這個指針按什么類型解釋由調用者自己定義。start_routine的返回值類型也是void *,這個指針的含義同樣由調用者自己定義。start_routine返回時，這個線程就退出了，其它線程可以調用pthread_join得到start_routine的返回值。
pthread_create成功返回后，新創(chuàng)建的線程的id被填寫到thread參數(shù)所指向的內存單元。我們知道進程id的類型是pid_t，每個進程的id在整個系統(tǒng)中是唯一的，調用getpid可以得到當前進程的id，是一個正整數(shù)值。線程id的類型是thread_t，它只在當前進程中保證是唯一的，在不同的系統(tǒng)中thread_t這個類型有不同的實現(xiàn)，它可能是一個整數(shù)值，也可能是一個結構體，也可能是一個地址，所以不能簡單的當成整數(shù)用printf打印，調用pthread_self可以獲取當前線程的id。
我們先來寫一個簡單的例子:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_t ntid;
void printids(const void *t)
{
char *s = (char *)t;
pid_t pid;
pthread_t tid;
pid = getpid();
tid = pthread_self();
printf("%s pid %u tid %u (0x%x)\n", s, (unsigned int)pid,
(unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
}
void *thr_fn(void *arg)
{
printids(arg);
return NULL;
}
int main(void)
{
int err;
err = pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, (void *)"Child Process:");
if (err != 0) {
fprintf(stderr, "can't create thread: %s\n", strerror(err));
exit(1);
}
printids("main thread:");
sleep(1);
return 0;
}
編譯執(zhí)行結果如下：
g++ thread.cpp -o thread -lpthread ./thread main thread: pid 21046 tid 3612727104 (0xd755d740) Child Process: pid 21046 tid 3604444928 (0xd6d77700)
從結果可以知道，thread_t類型是一個地址值，屬于同一進程的多個線程調用getpid可以得到相同的進程號，而調用pthread_self得到的線程號各不相同。
如果任意一個線程調用了exit或_exit，則整個進程的所有線程都終止，由于從main函數(shù)return也相當于調用exit，為了防止新創(chuàng)建的線程還沒有得到執(zhí)行就終止，我們在main函數(shù)return之前延時1秒，這只是一種權宜之計，即使主線程等待1秒，內核也不一定會調度新創(chuàng)建的線程執(zhí)行，接下來，我們學習一下比較好的解決方法。
終止線程
如果需要只終止某個線程而不是終止整個進程，可以有三種方法：
- 從線程函數(shù)return。這種方法對主線程不適應，從main函數(shù)return相當于調用exit。
- 一個線程可以調用pthread_cancel終止同一個進程中的另一個線程。
- 線程可以調用pthread_exit終止自己。
這里主要介紹pthread_exit和pthread_join的用法。
#include <pthread.h> void pthread_exit(void *value_ptr);
value_ptr是void*類型，和線程函數(shù)返回值的用法一樣，其它線程可以調用pthread_join獲取這個指針。
需要注意，pthread_exit或者return返回的指針所指向的內存單元必須是全局的或者是用malloc分配的，不能在線程函數(shù)的棧上分配，因為當其它線程得到這個返回指針時線程函數(shù)已經退出了。
#include <pthread.h> int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);
返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
調用該函數(shù)的線程將掛起等待，直到id為thread的線程終止。thread線程以不同的方法終止，通過pthread_join得到的終止狀態(tài)是不同的，總結如下：
- 如果thread線程通過return返回，value_ptr所指向的單元里存放的是thread線程函數(shù)的返回值。
- 如果thread線程被別的線程調用pthread_cancel異常終止掉，value_ptr所指向的單元存放的是常數(shù)PTHREAD_CANCELED。
- 如果thread線程是自己調用pthread_exit終止的，value_ptr所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數(shù)。
如果對thread線程的終止狀態(tài)不感興趣，可以傳NULL給value_ptr參數(shù)。參考代碼如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void* thread_function_1(void *arg)
{
printf("thread 1 running\n");
return (void *)1;
}
void* thread_function_2(void *arg)
{
printf("thread 2 exiting\n");
pthread_exit((void *) 2);
}
void* thread_function_3(void* arg)
{
while (1) {
printf("thread 3 writeing\n");
sleep(1);
}
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
void *tret;
pthread_create(&tid, NULL, thread_function_1, NULL);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 1 exit code %d\n", *((int*) (&tret)));
pthread_create(&tid, NULL, thread_function_2, NULL);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 2 exit code %d\n", *((int*) (&tret)));
pthread_create(&tid, NULL, thread_function_3, NULL);
sleep(3);
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 3 exit code %d\n", *((int*) (&tret)));
return 0;
}
運行結果是：
thread 1 running thread 1 exit code 1 thread 2 exiting thread 2 exit code 2 thread 3 writeing thread 3 writeing thread 3 writeing thread 3 exit code -1
可見，Linux的pthread庫中常數(shù)PTHREAD_CANCELED的值是-1.可以在頭文件pthread.h中找到它的定義：
#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)
線程間同步
多個線程同時訪問共享數(shù)據(jù)時可能會沖突，例如兩個線程都要把某個全局變量增加1，這個操作在某平臺上需要三條指令才能完成：
- 從內存讀變量值到寄存器。
- 寄存器值加1.
- 將寄存器的值寫回到內存。
這個時候很容易出現(xiàn)兩個進程同時操作寄存器變量值的情況，導致最終結果不正確。
解決的辦法是引入互斥鎖(Mutex, Mutual Exclusive Lock)，獲得鎖的線程可以完成“讀-修改-寫”的操作，然后釋放鎖給其它線程，沒有獲得鎖的線程只能等待而不能訪問共享數(shù)據(jù)，這樣，“讀-修改-寫”的三步操作組成一個原子操作，要不都執(zhí)行，要不都不執(zhí)行，不會執(zhí)行到中間被打斷，也不會在其它處理器上并行做這個操作。
Mutex用pthread_mutex_t類型的變量表示，可以這樣初始化和銷毀：
#include <pthread.h> int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_int(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); pthread_mutex_t mutex = PTHEAD_MUTEX_INITIALIZER;
返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
用pthread_mutex_init函數(shù)初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy銷毀。如果Mutex變量是靜態(tài)分配的（全局變量或static變量），也可以用宏定義PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來初始化，相當于用pthread_mutex_init初始化并且attr參數(shù)為NULL。Mutex的加鎖和解鎖操作可以用下列函數(shù)：
#include <pthread.h> int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
一個線程可以調用pthread_mutex_lock獲得Mutex，如果這時另一個線程已經調用pthread_mutex_lock獲得了該Mutex，則當前線程需要掛起等待，直到另一個線程調用pthread_mutex_unlock釋放Mutex，當前線程被喚醒，才能獲得該Mutex并繼續(xù)執(zhí)行。
我們用Mutex解決上面說的兩個線程同時對全局變量+1可能導致紊亂的問題：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define NLOOP 5000
int counter;
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *do_add_process(void *vptr)
{
int i, val;
for (i = 0; i < NLOOP; i ++) {
pthread_mutex_lock(&counter_mutex);
val = counter;
printf("%x:%d\n", (unsigned int)pthread_self(), val + 1);
counter = val + 1;
pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tida, tidb;
pthread_create(&tida, NULL, do_add_process, NULL);
pthread_create(&tidb, NULL, do_add_process, NULL);
pthread_join(tida, NULL);
pthread_join(tidb, NULL);
return 0;
}
這樣，每次運行都能顯示到10000。如果去掉鎖機制，可能就會有問題。這個機制類似于Java的synchronized塊機制。
Condition Variable
線程間的同步還有這樣一種情況：線程A需要等某個條件成立才能繼續(xù)往下執(zhí)行，現(xiàn)在這個條件不成立，線程A就阻塞等待，而線程B在執(zhí)行過程中使這個條件成立了，就喚醒線程A繼續(xù)執(zhí)行。在pthread庫中通過條件變量(Conditiion Variable)來阻塞等待一個條件，或者喚醒等待這個條件的線程。Condition Variable用pthread_cond_t類型的變量表示，可以這樣初始化和銷毀：
#include <pthread.h> int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_init(pthead_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr); pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
和Mutex的初始化和銷毀類似，pthread_cond_init函數(shù)初始化一個Condition Variable，attr參數(shù)為NULL則表示缺省屬性，pthread_cond_destroy函數(shù)銷毀一個Condition Variable。如果Condition Variable是靜態(tài)分配的，也可以用宏定義PTHEAD_COND_INITIALIZER初始化，相當于用pthread_cond_init函數(shù)初始化并且attr參數(shù)為NULL。Condition Variable的操作可以用下列函數(shù)：
#include <pthread.h> int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime); int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
可見，一個Condition Variable總是和一個Mutex搭配使用的。一個線程可以調用pthread_cond_wait在一個Condition Variable上阻塞等待，這個函數(shù)做以下三步操作：
- 釋放Mutex。
- 阻塞等待。
- 當被喚醒時，重新獲得Mutex并返回。
pthread_cond_timedwait函數(shù)還有一個額外的參數(shù)可以設定等待超時，如果到達了abstime所指定的時刻仍然沒有別的線程來喚醒當前線程，就返回ETIMEDOUT。一個線程可以調用pthread_cond_signal喚醒在某個Condition Variable上等待的另一個線程，也可以調用pthread_cond_broadcast喚醒在這個Condition Variable上等待的所有線程。
下面的程序演示了一個生產者-消費者的例子，生產者生產一個結構體串在鏈表的表頭上，消費者從表頭取走結構體。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
struct msg {
struct msg *next;
int num;
};
struct msg *head;
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* consumer(void *p)
{
struct msg *mp;
for(;;) {
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL) {
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = mp->next;
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("Consume %d\n", mp->num);
free(mp);
sleep(rand() % 5);
}
}
void* producer(void *p)
{
struct msg *mp;
for(;;) {
mp = (struct msg *)malloc(sizeof(*mp));
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
mp->num = rand() % 1000;
head = mp;
printf("Product %d\n", mp->num);
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&has_product);
sleep(rand() % 5);
}
}
int main()
{
pthread_t pid, cid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}
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