多线程的使用
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2020-07-12 19:20
本章将分为两大部分进行讲解，前半部分将引出线程的使用场景及基本概念，通过示例代码来说明一个线程创建到退出到回收的基本流程。后半部分则会通过示例代码来说明如何控制好线程，从临界资源访问与线程的执行顺序控制上引出互斥锁、信号量的概念与使用方法。
5.1 线程的使用5.1.1 为什么要使用多线程
在编写代码时，是否会遇到以下的场景会感觉到难以下手？
场景一：写程序在拷贝文件时，需要一边去拷贝文件，一边去向用户展示拷贝文件的进度时，传统做法是通过每次拷贝完成结束后去更新变量，再将变量转化为进度显示出来。其中经历了拷贝->计算->显示->拷贝->计算->显示...直至拷贝结束。
这样的程序架构及其的低效，必须在单次拷贝结束后才可以刷新当前拷贝进度，若可以将进程分支，一支单独的解决拷贝问题，一支单独的解决计算刷新问题，则程序效率会提升很多。
场景二：用阻塞方式去读取数据，实时需要发送数据的时候。例如在进行串口数据传输或者网络数据传输的时候，我们往往需要双向通信，当设置读取数据为阻塞模式时候，传统的单线程只能等到数据接收来临后才能冲过阻塞，再根据逻辑进行发送。
当我们要实现随时发送、随时接收时，无法满足我们的业务需求。若可以将进程分支，一支单纯的处理接收数据逻辑，一支单纯的解决发送数据逻辑，就可以完美的实现功能。基于以上场景描述，多线程编程可以完美的解决上述问题。
5.1.2 线程概念
所谓线程，就是操作系统所能调度的最小单位。普通的进程，只有一个线程在执行对应的逻辑。我们可以通过多线程编程，使一个进程可以去执行多个不同的任务。
相比多进程编程而言，线程享有共享资源，即在进程中出现的全局变量，每个线程都可以去访问它，与进程共享“4G”内存空间，使得系统资源消耗减少。本章节来讨论Linux下POSIX线程。
5.1.3 线程的标识pthread_t
对于进程而言，每一个进程都有一个唯一对应的PID号来表示该进程，而对于线程而言，也有一个“类似于进程的PID号”，名为tid，其本质是一个pthread_t类型的变量。线程号与进程号是表示线程和进程的唯一标识，但是对于线程号而言，其仅仅在其所属的进程上下文中才有意义。
在程序中，可以通过函数，pthread_self，来返回当前线程的线程号，例程1是打印线程tid号。
获取线程号
#include
pthread_t pthread_self(void);
成功：返回线程号
测试例程1：（Phtread_txex1.c）
1 #include
2 #include
3
4 int main()
5 {
6 pthread_t tid = pthread_self();//获取主线程的tid号
7 printf("tid = %lu\n",(unsigned long)tid);
8 return 0;
9 }
注意：
因采用POSIX线程接口，故在要编译的时候包含pthread库，使用gcc编译应gcc xxx.c -lpthread 方可编译多线程程序。
编译运行结果：
5.1.4 线程的创建
创建线程
#include
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);
成功：返回0
在传统的程序中，一个进程只有一个线程，可以通过函数pthread_create来创建线程。
该函数第一个参数为pthread_t类型的线程号地址，当函数执行成功后会指向新建线程的线程号；
第二个参数表示了线程的属性，一般传入NULL表示默认属性；
第三个参数代表返回值为void*，形参为void*的函数指针，当线程创建成功后，会自动的执行该回调函数；
第四个参数则表示为向线程处理函数传入的参数，若不传入，可用NULL填充，有关线程传参后续小节会有详细的说明，接下来通过一个简单例程来使用该函数创建出一个线程。
测试例程2：（Phtread_txex2.c）
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5
6 void *fun(void *arg)
7 {
8 printf("pthread_New = %lu\n",(unsigned long)pthread_self());//打印线程的tid号
9 }
10
11 int main()
12 {
13
14 pthread_t tid1;
15 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun,NULL);//创建线程
16 if(ret != 0){
17 perror("pthread_create");
18 return -1;
19 }
20
21 /*tid_main 为通过pthread_self获取的线程ID，tid_new通过执行pthread_create成功后tid指向的空间*/
22 printf("tid_main = %lu tid_new = %lu \n",(unsigned long)pthread_self(),(unsigned long)tid1);
23
24 /*因线程执行顺序随机，不加sleep可能导致主线程先执行，导致进程结束，无法执行到子线程*/
25 sleep(1);
26
27 return 0;
28 }
29
运行结果：
通过pthread_create确实可以创建出来线程，主线程中执行pthread_create后的tid指向了线程号空间，与子线程通过函数pthread_self打印出来的线程号一致。
特别说明的是，当主线程伴随进程结束时，所创建出来的线程也会立即结束，不会继续执行。并且创建出来的线程的执行顺序是随机竞争的，并不能保证哪一个线程会先运行。可以将上述代码中sleep函数进行注释，观察实验现象。
去掉上述代码25行后运行结果：
上述运行代码3次，其中有2次被进程结束，无法执行到子线程的逻辑，最后一次则执行到了子线程逻辑后结束的进程。
因此可以说明，线程的执行顺序不受控制，且整个进程结束后所产生的线程也随之被释放，在后续内容中将会描述如何控制线程执行。
5.1.5 向线程传入参数
pthread_create()的最后一个参数的为void类型的数据，表示可以向线程传递一个void数据类型的参数，线程的回调函数中可以获取该参数，例程3举例了如何向线程传入变量地址与变量值。
测试例程3：（Phtread_txex3.c）
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5
6 void *fun1(void *arg)
7 {
8 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,*(int *)arg,arg);
9 }
10
11 void *fun2(void *arg)
12 {
13 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,(int)(long)arg,arg);
14 }
15
16 int main()
17 {
18
19 pthread_t tid1,tid2;
20 int a = 50;
21 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);//创建线程传入变量a的地址
22 if(ret != 0){
23 perror("pthread_create");
24 return -1;
25 }
27 ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,(void *)(long)a);//创建线程传入变量a的值
28 if(ret != 0){
29 perror("pthread_create");
30 return -1;
31 }
32 sleep(1);
33 printf("%s:a = %d Add = %p \n",__FUNCTION__,a,&a);
34 return 0;
35 }
36
运行结果：
本例程展示了如何利用线程创建函数的第四个参数向线程传入数据，举例了如何以地址的方式传入值、以变量的方式传入值，例程代码的21行，是将变量a先行取地址后，再次强制类型转化为void后传入线程，线程处理的回调函数中，先将万能指针void转化为int*，再次取地址就可以获得该地址变量的值，其本质在于地址的传递。例程代码的27行，直接将int类型的变量强制转化为void进行传递（针对不同位数机器，指针对其字数不同，需要int转化为long在转指针，否则可能会发生警告），在线程处理回调函数中，直接将void数据转化为int类型即可，本质上是在传递变量a的值。
上述两种方法均可得到所要的值，但是要注意其本质，一个为地址传递，一个为值的传递。当变量发生改变时候，传递地址后，该地址所对应的变量也会发生改变，但传入变量值的时候，即使地址指针所指的变量发生变化，但传入的为变量值，不会受到指针的指向的影响，实际项目中切记两者之间的区别。具体说明见例程4.
测试例程4：（Phtread_txex4.c）
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5
6 void *fun1(void *arg)
7 {
8 while(1){
9
10 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,*(int *)arg,arg);
11 sleep(1);
12 }
13 }
14
15 void *fun2(void *arg)
16 {
17 while(1){
18
19 printf("%s:arg = %d Addr = %p\n",__FUNCTION__,(int)(long)arg,arg);
20 sleep(1);
21 }
22 }
23
24 int main()
25 {
26
27 pthread_t tid1,tid2;
28 int a = 50;
29 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);
30 if(ret != 0){
31 perror("pthread_create");
32 return -1;
33 }
34 sleep(1);
35 ret = pthread_create(&tid2,NULL,fun2,(void *)(long)a);
36 if(ret != 0){
37 perror("pthread_create");
38 return -1;
39 }
40 while(1){
41 a++;
42 sleep(1);
43 printf("%s:a = %d Add = %p \n",__FUNCTION__,a,&a);
44 }
45 return 0;
46 }
47
运行结果：
上述例程讲述了如何向线程传递一个参数，在处理实际项目中，往往会遇到传递多个参数的问题，我们可以通过结构体来进行传递，解决此问题。
测试例程5：（Phtread_txex5.c）
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6
7 struct Stu{
8 int Id;
9 char Name[32];
10 float Mark;
11 };
12
13 void *fun1(void *arg)
14 {
15 struct Stu *tmp = (struct Stu *)arg;
16 printf("%s:Id = %d Name = %s Mark = %.2f\n",__FUNCTION__,tmp->Id,tmp->Name,tmp->Mark);
17
18 }
19
20 int main()
21 {
22
23 pthread_t tid1,tid2;
24 struct Stu stu;
25 stu.Id = 10000;
26 strcpy(stu.Name,"ZhangSan");
27 stu.Mark = 94.6;
28
29 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&stu);
30 if(ret != 0){
31 perror("pthread_create");
32 return -1;
33 }
34 printf("%s:Id = %d Name = %s Mark = %.2f\n",__FUNCTION__,stu.Id,stu.Name,stu.Mark);
35 sleep(1);
36 return 0;
37 }
38
运行结果：
5.1.6 线程的退出与回收
线程的退出情况有三种：第一种是进程结束，进程中所有的线程也会随之结束。第二种是通过函数pthread_exit来主动的退出线程。第三种通过函数pthread_cancel被其他线程被动结束。
当线程结束后，主线程可以通过函数pthread_join/pthread_tryjoin_np来回收线程的资源，并且获得线程结束后需要返回的数据。
线程退出
#include
void pthread_exit(void *retval);
该函数为线程退出函数，在退出时候可以传递一个void*类型的数据带给主线程，若选择不传出数据，可将参数填充为NULL。
线程资源回收（阻塞）
#include
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
成功：返回0
该函数为线程回收函数，默认状态为阻塞状态，直到成功回收线程后被冲开阻塞。第一个参数为要回收线程的tid号，第二个参数为线程回收后接受线程传出的数据。
线程资源回收（非阻塞）
#define _GNU_SOURCE
#include
int pthread_tryjoin_np(pthread_t thread, void **retval);
成功：返回0
该函数为非阻塞模式回收函数，通过返回值判断是否回收掉线程，成功回收则返回0，其余参数与pthread_join一致。
该函数传入一个tid号，会强制退出该tid所指向的线程，若成功执行会返回0：
线程退出（指定线程号）
#include
int pthread_cancel(pthread_t thread);
成功：返回0
上述描述简单的介绍了有关线程回收的API，下面通过例程来说明上述API。
测试例程6：（Phtread_txex6.c）
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5
6 void *fun1(void *arg)
7 {
8 static int tmp = 0;//必须要static修饰，否则pthread_join无法获取到正确值
9 //int tmp = 0;
10 tmp = *(int *)arg;
11 tmp+=100;
12 printf("%s:Addr = %p tmp = %d\n",__FUNCTION__,&tmp,tmp);
13 pthread_exit((void *)&tmp);//将变量tmp取地址转化为void*类型传出
14 }
15
16
17 int main()
18 {
19
20 pthread_t tid1;
21 int a = 50;
22 void *Tmp = NULL;//因pthread_join第二个参数为void**类型
23 int ret = pthread_create(&tid1,NULL,fun1,(void *)&a);
24 if(ret != 0){
25 perror("pthread_create");
26 return -1;
27 }
28 pthread_join(tid1,&Tmp);
29 printf("%s:Addr = %p Val = %d\n",__FUNCTION__,Tmp,*(int *)Tmp);
30 return 0;
31 }
32
运行结果：
上述例程先通过23行将变量以地址的形式传入线程，在线程中做出了自加100的操作，当线程退出的时候通过线程传参，用void*类型的数据通过pthread_join接受。
此例程去掉了之前加入的sleep函数，原因是pthread_join函数具备阻塞的特性，直至成功收回掉线程后才会冲破阻塞，因此不需要靠考虑主线程会执行到30行结束进程的情况。
特别要说明的是例程第8行，当变量从线程传出的时候，需要加static修饰，对生命周期做出延续，否则无法传出正确的变量值。
测试例程7：（Phtread_txex7.c）
1 #define _GNU_SOURCE
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6
7 void *fun(void *arg)
8 {
9 printf("Pthread:%d Come !\n",(int )(long)arg+1);
10 pthread_exit(arg);
11 }
12
13
14 int main()
15 {
16 int ret,i,flag = 0;
17 void *Tmp = NULL;
18 pthread_t tid[3];
19 for(i = 0;i < 3;i++){
20 ret = pthread_create(&tid[i],NULL,fun,(void *)(long)i);
21 if(ret != 0){
22 perror("pthread_create");
23 return -1;
24 }
25 }
26 while(1){//通过非阻塞方式收回线程，每次成功回收一个线程变量自增，直至3个线程全数回收
27 for(i = 0;i <3;i++){
28 if(pthread_tryjoin_np(tid[i],&Tmp) == 0){
29 printf("Pthread : %d exit !\n",(int )(long )Tmp+1);
30 flag++;
31 }
32 }
33 if(flag >= 3) break;
34 }
35 return 0;
36 }
37
运行结果：
例程7展示了如何使用非阻塞方式来回收线程，此外也展示了多个线程可以指向同一个回调函数的情况。例程6通过阻塞方式回收线程几乎规定了线程回收的顺序，若最先回收的线程未退出，则一直会被阻塞，导致后续先退出的线程无法及时的回收。
通过函数pthread_tryjoin_np，使用非阻塞回收，线程可以根据退出先后顺序自由的进行资源的回收。
测试例程8：（Phtread_txex8.c）
1 #define _GNU_SOURCE
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6
7 void *fun1(void *arg)
8 {
9 printf("Pthread:1 come!\n");
10 while(1){
11 sleep(1);
12 }
13 }
14
15 void *fun2(void *arg)
16 {
17 printf("Pthread:2 come!\n");
18 pthread_cancel((pthread_t )(long)arg);//杀死线程1，使之强制退出
19 pthread_exit(NULL);
20 }
21
22 int main()
23 {
24 int ret,i,flag = 0;
25 void *Tmp = NULL;
26 pthread_t tid[2];
27 ret = pthread_create(&tid[0],NULL,fun1,NULL);
28 if(ret != 0){
29 perror("pthread_create");
30 return -1;
31 }
32 sleep(1);
33 ret = pthread_create(&tid[1],NULL,fun2,(void *)tid[0]);//传输线程1的线程号
34 if(ret != 0){
35 perror("pthread_create");
36 return -1;
37 }
38 while(1){//通过非阻塞方式收回线程，每次成功回收一个线程变量自增，直至2个线程全数回收
39 for(i = 0;i <2;i++){
40 if(pthread_tryjoin_np(tid[i],NULL) == 0){
41 printf("Pthread : %d exit !\n",i+1);
42 flag++;
43 }
44 }
45 if(flag >= 2) break;
46 }
47 return 0;
48 }
49
运行结果：
例程8展示了如何利用pthread_cancel函数主动的将某个线程结束。27行与33行创建了线程，将第一个线程的线程号传参形式传入了第二个线程。
第一个的线程执行死循环睡眠逻辑，理论上除非进程结束，其永远不会结束，但在第二个线程中调用了pthread_cancel函数，相当于向该线程发送一个退出的指令，导致线程被退出，最终资源被非阻塞回收掉。
此例程要注意第32行的sleep函数，一定要确保线程1先执行，因线程是无序执行，故加入该睡眠函数控制顺序，在本章后续，会讲解通过加锁、信号量等手段来合理的控制线程的临界资源访问与线程执行顺序控制。
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