Linux学习06——线程控制与同步互斥

概述

学习目标：

• 理解线程概念和并发特征，分辨线程与进程的区别与联系
• 掌握多线程应用编程技术，掌握线程间数据传递基本方法
• 掌握共享变量识别方法，理解多线程访问共享变量可能带来的问题
• 理解临界资源、临界区、线程互斥、线程同步基本概念
• 理解保证临界区互斥执行的基本思想
• 掌握用信号量和P/V操作来解决互斥、同步问题的编程方法
• 掌握生产者/消费者、读者/写者问题两个经典同步问题的编程方法，并用以分析和解决实际应用
• 了解AND型信号量、信号量集、条件变量和管程等同步机制
• 理解线程安全、可重入型、线程竞争基本概念
• 掌握利用多线程并发编程基本方法
• 掌握并发程序性能分析基本方法

6.1 线程概念

6.1.1 什么是线程

传统应用程序特点与不足

启动一个传统C语言程序，产生一个进程，进程从main()函数开始，沿着程序流程往下执行，不严格地说，可认为每次仅执行一条语句（或一条指令），前一条语句(或指令)完成，后一条语句（或指令）才能开始。不足之处：

• 一个进程只有一个代码执行序列(或控制流)，只能接受一个CPU（或CPU核）为其服务，不便发挥多CPU或多核系统强大的计算能力。
• 进程每段时间只能执行一项活动，若有多项需要并发执行的活动，传统程序结构很难进行有效协调。比如程序在等待用户输入的同时，还要从消息队列接收消息，而此时用户输入尚未完成，消息还未到来。很难同时协调和管理多项并发活动，尤其是需要等待某种事件发生的活动。

什么是线程

采用多线程机制可以很好地解决前述问题。

• 什么是线程：线程定义为进程内一个执行单元或一个可调度实体，每个执行单元可执行进程的一段程序代码（如函数）。在一个进程内可创建多个线程，这些线程都是并发逻辑流，每个线程可执行一项独立的活动或功能。 如Web服务器一个线程在给某浏览器产生网页时，另一线程就可侦听其他浏览器请求
• 线程共享进程资源：属于同一进程的多个线程位于同一个地址空间内，共享进程拥有的资源，包括代码、数据（全局变量）、堆和打开文件等，线程需栈、程序计数器等少量资源，线程又称轻量级进程(LWP)

线程结构和状态

•  线程结构：每个线程拥有一个线程控制块TCB(Thread Control Block)和一个线程栈，TCB用于存放线程相关属性，栈用于给函数调用、局部变量分配内存
• TCB内容：与线程相关的属性放在线程控制块(TCB)内，TCB包括线程ID（Thread TID）、线程状态、栈指针、通用寄存器、程序计数器和标志寄存器
• 线程比进程开销小：因线程工作所需的大部分资源和属性在进程中，线程需维护的资源、属性很少，线程创建、销毁所需开销很低（甚至低于进程开销的10%）
• 线程基本状态及其转换

6.1.2 线程执行模型

• 线程创建：进程启动时，先执行main函数，这个执行体为主线程(main thread)；主线程在某个时刻可创建新的线程，称为对等线程(peer thread)；此后各线程也可以根据需要创建更多对等线程
• 线程间关系：线程之间无父子关系，都是对等的，一个进程相关的线程组成一个对等线程池(pool)，独立于其他进程创建的线程
• 好处：一个线程可以终止任何其他对等线程，或者等待任意其他对等线程终止
• 线程间并发关系：各线程可因sleep、read等慢速系统调用，走走停停，交错往前推进

6.1.3 多线程应用

• 让程序同时做多件事情。示例：在编辑文档的同时对文档中的单词个数进行实时统计。
• 将一个耗时的进程任务划分成很多小任务，同时在多个CPU或核上执行。如大矩阵运算、海量数据检索
• 管理多项并发活动。

1. 示例1：对一个混杂输入、计算和输出的应用程序，输入、计算、输出各安排一个线程来做
2. 示例2：通过多线程让进程同时等待多个事件，如网络连接、消息
3. 示例3：网络服务器同时处理多个客户连接

6.1.4 第一个线程

• pthread创建一个对等线程，对等线程的任务是peertask
• 之后主线程与对等线程一起往下执行，由于每个线程执行输出一行文本后都usleep，让出CPU，控制两个线程来回切换
• 对等线程peertask的return语句终止之后，主线程调用pthread_join函数等待对等线程终止，最后调用exit(0)终止整个程序

6.2 多线程并发特性与编程方法

6.2.1 Pthreads线程API

Pthreads提供了phtread_create、pthread_exit、pthread_join、pthread_detach、pthread_cancel等API函数，用于创建、退出、回收、分离和取消线程。

1. 创建线程

• 创建线程

typedef void *(*Func) (void *arg);

int pthread_create(pthread_t *tid, pthread_attr_t *attr, Func fun,void *arg);

• 获得线程TID： pthread_t pthread_self(void);

2. 终止线程