• 网络编程之线程

    线程

    一、概述

    传统进程使用fork创建子进程，但fork调用存在问题：

    1. fork昂贵。fork要把父进程的内存映像复制到子进程，并在子进程中复制所有描述符，现在使用写时复制避免这种状况。
    2. fork返回之后父子进程之间信息的传递需要进程通信机制。调用fork之前父进程向尚未存在的子进程传递信息相当容易，因为子进程将从父进程数据空间及所有描述符的一个副本开始运行。然而从子进程往父进程返回信息却比较费力．

    由于线程的速度快能很好解决上面的问题。同一进程内的所有线程共享相同的全局内存。这使得线程之间易于共享信息，然而伴随这种简易性而来的却是同步问题。

    二、基本线程函数

    #include
//创建线程
int pthread_create(pthread_t *tid,const pthread_attr_t *attr,void *(*func)(void *),void *arg);
//数据类型pthread_t,若新线程创建成功，ID通过tid指针返回。
//创建线程时通过初始化一个取代默认设置的pthread_attr_t变量指的这些属性，通常情况默认设置,attr指定为空指针。
//func:函数，其所指函数作为参数接受一个通用指针（void*），又作为返回值返回一个通用指针（void*）。
//函数唯一调用参数是指针arg。多个参数大包成结构


//等待一个线程终止，类似waitpid
int pthread_join(pthread_t *tid,void **status);
//必须指定要等待线程的tid，status指针为空，等待线程的返回值将存入由status指向的位置。

//返回线程的ID，线程可以获取自身ID，类似getpid
pthread_t pthread_self(void);

//设置脱离线程，这样就可以不用阻塞在pthread_join()函数中。
//常见的用法：在子线程中调用 pthread_detach(pthread_self())；
//或者在父进程中：pthread_detach(thread_id tid);
int pthread_detach(pthread_t tid);

//线程终止
void pthread_exit(void *status);
//另外两个方法：
//启动线程函数(pthread_creat的第三个参数)可以返回,声明成功返回一个void指针。
//mian函数调用exit。

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    1.多线程的例子：

    #include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

//打印线程内的信息，包括进程ID和线程ID。
void printids(const char *s)
{
    pid_t pid;
    pthread_t tid;
    pid = getpid();
    tid = pthread_self();
    printf("%s pid %lu tid %lu (0x%lx)\n", s, (unsigned long)pid, (unsigned long)tid, (unsigned long)tid);
}
//两种不同的退出方式，一种是返回 void*；一种是调用pthread_exit()；
void *thr_fn_exit(void *arg)
{
    printids("thread 1: ");
    printf("thread 1 returning\n");
    sleep(1);
    return ((void*) 1);
}
void *thr_fn_exit1(void *arg)
{
    printids("thread 2: ");
    printf("thread 2 exiting\n");
    sleep(1);
    pthread_exit( (void*) 2);
}

int main()
{
    int err;
    pthread_t tid1, tid2;
    void *tret;
    printids("Main thread: ");
    err = pthread_create(&tid1,NULL,thr_fn_exit, NULL);
    if(err != 0)
        printf("creat error:%s\n",strerror(err));
    
    err = pthread_create(&tid2, NULL, thr_fn_exit1, NULL);
    if (err != 0)
        printf("creat error:%s\n",strerror(err));
    err = pthread_join(tid1, &tret);
    printf("thread 1 exit code %ld\n", (long)tret);
    err = pthread_join(tid2, &tret);
    if(err != 0)
        printf("get end error:%s\n",strerror(err));
    printf("thread 2 exit code %ld\n",(long)tret);
    return 0;
}

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    三、线程安全函数

    在这里插入图片描述

    四、线程特定数据

    1. 在单线程程序中，我们经常要用到"全局变量"以实现多个函数间共享数据, 然而在多线程环境下，由于数据空间是共享的，因此全局变量也为所有线程所共有。

    2. 要提供线程私有的全局变量，仅在某个线程中有效，但却可以跨多个函数访问。POSIX线程库通过维护一定的数据结构来解决这个问题，这个些数据称为线程特定数据（ TSD)。

    3. 线程特定数据基于每线程进行维护，TSD是定义和引用线程专用数据的唯一方法,线程特定数据看似很复杂，其实我们可以把它理解为就是一个索引(key)和指针。key结构中存储的是索引，pthread结构中存储的是指针，指向线程中的私有数据，通常是malloc函数返回的指针。

    系统支持有效个数线程特定数据：

    在这里插入图片描述

    • 当一个线程调用pthread_key_create创建一个新的线程特定数据元素时，系统搜索其所在进程的key结构数组，找出其中第一个未使用的元素，并通过keyptr返回该元素的键，即就是我们前面说的索引。pthread_key_create函数的第二个参数destructor是一个函数指针，指向一个析构函数，用于线程结束以后的一些后期后期处理工作，析构函数的额参数就是线程特定数据的指针。
      • 除了进程范围内地的key结构数组外，系统还在进程中维护关于每个线程的线程结构，把这个特定于线程的结构称为pthread结构，如下所示。它的128个指针和进程中的128个可能的键（索引）是逐一关联的。指针指向的内存就是线程特有数据。

    在这里插入图片描述
    下面看一个具体的过程，
    启动一个进程并创建了若干线程，其中一个线程（比如线程1），要申请线程私有数据，系统调用pthread_key_creat(）在key结构数组中找到第一个未用的元素，并把它的的索引(0-127），返回给调用者，假设返回的索引是1，线程之后通过pthrea_getspecific（）调用获得本线程的pkey[1]值，返回的是一个空指针ptr = null，这个指针就是我们可以通过索引1使用的线程数据的首地址了，但是他现在为空，因此根据实际情况用malloc分配一快内存，在使用pthread_setspecific()调用将特定数据的指针指向刚才分配到内存区域。整个过程结束后key结构和pthread结构如下所示。
    在这里插入图片描述

    #include 

//key只初始化一次
int pthread_once(pthread_once_t *onceptr, void (*init)(void)); 

//分配用于标识进程中线程特定数据的键。键对进程中的所有线程来说是全局的。
int pthread_key_create(pthread_key_t *keyptr, void (*destructor)(void *value)); 

 //设置线程特定数据
int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value); 
pthread_once_t initflag = PTHREAD_ONCE_INIT;

//获取线程特定数据
void *pthread_getspecific(pthread_key_t key); 

//删除线程特定数据键
int pthread_key_delete(pthread_key_t *key);

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    例：

    /* 设置/获取线程特定数据
在两个线程中分别设置/获取线程特定数据, 查看两个线程中的数据是否是一样的(肯定是不一样的O(∩_∩)O~)
*/

pthread_key_t key;
typedef struct Tsd
{
    pthread_t tid;
    char *str;
} tsd_t;
//用来销毁每个线程所指向的实际数据
void destructor_function(void *value)
{
    free(value);
    cout << "destructor ..." << endl;
}
 
void *thread_routine(void *args)
{
    //设置线程特定数据
    tsd_t *value = (tsd_t *)malloc(sizeof(tsd_t));
    value->tid = pthread_self();
    value->str = (char *)args;
    pthread_setspecific(key, value);
    printf("%s setspecific, address: %p\n", (char *)args, value);
 
    //获取线程特定数据
    value = (tsd_t *)pthread_getspecific(key);
    printf("tid: 0x%x, str = %s\n", (unsigned int)value->tid, value->str);
    sleep(2);
 
    //再次获取线程特定数据
    value = (tsd_t *)pthread_getspecific(key);
    printf("tid: 0x%x, str = %s\n", (unsigned int)value->tid, value->str);
 
    pthread_exit(NULL);
}
 
int main()
{
    //这样每个线程当中都会有一个key可用了,
    //但是每个key所绑定的实际区域需要每个线程自己指定
    pthread_key_create(&key, destructor_function);
 
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_routine, (void *)"thread1");
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_routine, (void *)"thread2");
 
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_key_delete(key);
 
    return 0;
}



/* 运用pthread_once, 让key只初始化一次
注意: 将对key的初始化放入到init_routine中
*/
#include
#include
#include
#include

pthread_key_t key;
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;
typedef struct Tsd
{
    pthread_t tid;
    char *str;
} tsd_t;
 
//线程特定数据销毁函数,
//用来销毁每个线程所指向的实际数据
void destructor_function(void *value)
{
    free(value);
    printf("destructor ...\n");
}
 
//初始化函数, 将对key的初始化放入该函数中,
//可以保证inti_routine函数只运行一次
void init_routine()
{
    pthread_key_create(&key, destructor_function);
    printf("init...\n");
}
 
void *thread_routine(void *args)
{
    pthread_once(&once_control, init_routine);
 
    //设置线程特定数据
    tsd_t *value = (tsd_t *)malloc(sizeof(tsd_t));
    value->tid = pthread_self();
    value->str = (char *)args;
    pthread_setspecific(key, value);
    printf("%s setspecific, address: %p\n", (char *)args, value);
 
    //获取线程特定数据
    value = (tsd_t *)pthread_getspecific(key);
    printf("tid: 0x%x, str = %s\n", (unsigned int)value->tid, value->str);
    sleep(2);
 
    //再次获取线程特定数据
    value = (tsd_t *)pthread_getspecific(key);
    printf("tid: 0x%x, str = %s\n", (unsigned int)value->tid, value->str);
 
    pthread_exit(NULL);
}
 
int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_routine, (void *)"thread1");
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_routine, (void *)"thread2");
 
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_key_delete(key);
 
    return 0;
}

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    五、互斥锁

    并发编程(线程编程)运行和访问相同变量，多个线程一起，但只有一个线程在一定时间访问，这时需要互斥锁通过加锁来保护共享的数据，具有锁才能访问。

    #include
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mptr);//上锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mptr);//解锁
//如果试图上锁已被另外某个线程锁住的互斥锁，本线程将被堵塞直到互斥锁被解锁。
//如果互斥锁变量是静态分配的，应该初始长值为PTHREAD_MUTEX_INITALIZER
//有的系统把PTHREAD_MUTEX_INITALIZER定义为0，忽略初始化



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    1.多个线程同时修改一个共享变量(如全局变量)

    #include 
#include 

int counter;
void *doit(void*);

int main(int argc, char **argv)
{
	pthread_t tidA, tidB;

	pthread_create(&tidA, NULL, &doit, NULL);
	pthread_create(&tidB, NULL, &doit, NULL);

	pthread_join(tidA, NULL);
	pthread_join(tidB, NULL);
	return 0;
}

void *doit(void * arg)
{
	int i, val;
	for(i=0; i<10; i++)
	{
		val = counter;
		printf("counter is %d
", val+1);
		counter = val+1;
	}
	return NULL;
}
//线程的运行是并发运行的，counter值的修改的结果是不定的。




//修改后：


#include 
#include 

int counter;
pthread_mutex_t counter_mutex;

void *doit(void*);

int main(int argc, char **argv)
{
	pthread_t tidA, tidB;

	pthread_create(&tidA, NULL, &doit, NULL);
	pthread_create(&tidB, NULL, &doit, NULL);

	pthread_join(tidA, NULL);
	pthread_join(tidB, NULL);
	return 0;
}

void *doit(void * arg)
{
	
	int i, val;
	for(i=0; i<10; i++)
	{
		pthread_mutex_lock(&counter_mutex);
		val = counter;
		printf("counter is %d
", val+1);
		counter = val+1;
		pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);
	}
	return NULL;
}


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    2.对比上锁和等待

    下列展示互斥锁用于上锁，而不能用于等待，所有生产者线程都启动后立即启动消费者线程。这样在生产者线程产生数据的同时，消费者线程就能处理它。

    #define	MAXNITEMS 		1000000
#define	MAXNTHREADS			100

int		nitems;			/* 生产者和消费者只读 */
struct {
  pthread_mutex_t	mutex;
  int	buff[MAXNITEMS];
  int	nput;
  int	nval;
} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };

void	*produce(void *), *consume(void *);


int main(int argc, char **argv)
{
	int			i, nthreads, count[MAXNTHREADS];
	pthread_t	tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;

	if (argc != 3)
		err_quit("usage: prodcons3 <#items> <#threads>");
	nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);
	nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);

		/* 创建所有生产者和一个消费者 */
	set_concurrency(nthreads + 1);
	for (i = 0; i < nthreads; i++) {
		count[i] = 0;
		pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
	}
	pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);

		/* 等待所有生产者和消费者 */
	for (i = 0; i < nthreads; i++) {
		pthread_join(tid_produce[i], NULL);
		printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]);	
	}
	pthread_join(tid_consume, NULL);

	exit(0);
}

//生产者
void * produce(void *arg)
{
	for ( ; ; ) {
		Pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
		if (shared.nput >= nitems) {
			Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
			return(NULL);		/* 数组已满，完成*/
		}
		shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
		shared.nput++;
		shared.nval++;
		Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
		*((int *) arg) += 1;
	}
}

/*消费者*/
void consume_wait(int i)
{
//等待生产者
	for ( ; ; ) {
		Pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
		if (i < shared.nput) {
			Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
			return;			/*一个项目准备就绪 */
		}
		Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
	}
}

void * consume(void *arg)
{
	int		i;

	for (i = 0; i < nitems; i++) {
	//消息者必须等待
		consume_wait(i);
		if (shared.buff[i] != i)
			printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]);
	}
	return(NULL);
}


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    五、条件变量

    1. 互斥锁防止多个线程同时访问同一共享变量，只用互斥量很可能会引起死锁。条件变量允许一个线程就某个共享变量的状态变化通知其他线程，并让其他线程等待这一通知。

    2. 条件变量常和互斥锁一起使用，互斥量主要用来保证对临界区的互斥进入，而条件变量则用于线程的阻塞等待，互斥锁定进入临界区以后，若条件不满足，线程便转为等待状态，等待条件满足后被唤醒执行，否则继续执行，执行完后开锁。

    #include
//使用条件变量前必须使用对其初始化

//对于经由静态分配的条件变量，将其赋值为 PTHREAD_COND_INITALIZER 即完成初始化操作。

pthread_count_t cond = PTHREAD_COND_INITALIZER 


//对条件变量进行动态初始化。未采用默认属性由静态分配的条件变量进行初始化必须使用此函数。
int pthread_code_init(pthread_code_t conde,const pthread_condattr_t *atrr);

//当不再需要一个经由自动或动态分配的条件变量时，应调此函数予以销毁。
// PTHREAD_COND_INITIALIZER 不需调用
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);


//等待
int pthread_code_wait(pthread_code_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);//阻塞当前线程,等待某个即将终止的线程发送cond通知
//cond:所等待的条件变量。
//mutex:所使用的互斥锁。
 
int pthread_code_signal(pthread_code_t *cond);//发送信号给一个或者多个正在处于阻塞等待状态的线程,某个共享变量已经改变。使其脱离阻塞状态,继续执行.如果没有线程处在阻塞等待状态,pthread_cond_signal也会成功返回。
//函数只保证唤醒至少一条遭到阻塞的线程
//相当pthread_code_broadcast于高效

//和pthread_code_signal差不多
int pthread_code_broadcast(pthread_cond_t *cond);//唤醒所有阻塞的线程

//和函数pthread_cond_wait()几近相同
//唯一区别在于由参数abstime来指定一个线程等待条件变量通知时休眠时间的上限
//参数 abstime 是一个timespec 类型的结构，
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);
//cond：所等待的条件变量。
//mutex：所使用的互斥锁。
//abstime：指定等待的时间范围。

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    例：

    六、C++11中的condition_variable

    C++11中提供了condition_variable函数，实际上是对上面函数的封装。

    条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待条件变量的条件成立而挂起;另一个线程使条件成立（给出条件成立信号）。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥量结合在一起。

    #include 


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    C++11中提供了两种封装：condition_variable和condition_variable_any

    1. 相同点：两者都能与std::mutex一起使用。
    2. 不同点：前者仅限于与 std::mutex 一起工作，而后者可以和任何满足最低标准的互斥量一起工作，从而加上了_any的后缀。condition_variable_any会产生额外的开销。

    一般只推荐使用condition_variable。除非对灵活性有硬性要求，才会考虑condition_variable_any。

    条件变量的构造函数：

    std::condition_variable::condition_variable
constructor:
    condition_variable();   //默认构造函数无参
    condition_variable(const condition_variable&) = delete;   //删除拷贝构造函数

//条件变量的wait函数：

void wait( std::unique_lock<std::mutex>& lock );
//Predicate是lambda表达式。
template< class Predicate >
void wait( std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred );
//以上二者都被notify_one())或notify_broadcast()唤醒，但是
//第二种方式是唤醒后也要满足Predicate的条件。
//如果不满足条件，继续解锁互斥量，然后让线程处于阻塞或等待状态。
//第二种等价于
while (!pred())
{
    wait(lock);
}


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    七、例：使用互斥锁与条件变量

    //创建连个线程分别来处理value为奇数和偶数的情况 ，用互斥锁与条件变量来对共享数据value进行管理。
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAX_SIZE 10       
int value = 0;
pthread_mutex_t mutex;             //定义一个全局的互斥锁
pthread_cond_t dan, shuang;        //定义两个条件变量来表示单数信号和双数信号

void * pthread_fun1(void *arg)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);        //对共享数据value上锁

    while(value < MAX_SIZE){
        if(value % 2 == 1){           //value为奇数
            printf("fun1 value = %d\n", value);
            value++;                        //value值加1
            pthread_cond_signal(&shuang);   //发送为双数信号。通知双数的处理线程pthread_fun2().
        }else{                 //value不为奇数
            pthread_cond_wait(&dan, &mutex);   //阻塞程序，并解开互斥锁。等待接收到条件变量dan后再进行上锁并使函数继续运行。
        }
    }

    pthread_mutex_unlock(&mutex);   //对线程解锁。
}

void* pthread_fun2(void *arg)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);    //对该线程上锁，如果该互斥量已经被上锁则程序阻塞在该处，直到其他线程对其解锁，它的到资源为止。

    while(value < MAX_SIZE){    //如果vallue在预定范围内
        if(value % 2 == 0){     //value是偶数
            printf("fun2 value = %d\n", value);
            value ++;           
            pthread_cond_signal(&dan);  //发送为双数信号。通知奇数的处理线程pthread_fun1().
        }else{
            pthread_cond_wait(&shuang, &mutex);    //阻塞程序，并解开互斥锁。等待接收到条件变量 shuang 后再进行上锁并使函数继续运行
        }
    } 

    pthread_mutex_unlock(&mutex);    //该线程运行结束前，解开互斥锁。
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);     //互斥锁初始化
    pthread_t tid[2];

    pthread_create(&tid[1], NULL, pthread_fun2, &tid[0]);  //创建一个线程用来执行pthread_fun2()操作。
    sleep(1);
    pthread_create(&tid[0], NULL, pthread_fun1, NULL);  //创建一个线程，用来执行pthread_fun1()操作。

    pthread_join(tid[0], NULL);   //等待线程1结束
    pthread_join(tid[1], NULL);   //等待线程2结束

    pthread_mutex_destroy(&mutex);   //销毁互斥锁。

    return 0;
}

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_50866517/article/details/126810279