Outline
- 1.线程特点
- 2.pthread创建
- 3.pthread终止
- 4.mutex互斥量使用框架
- 5.cond条件变量
- 6.综合实例
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1. 线程特点线程拥有自己独立的栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字(创建时继承)、errno变量以及线程私有数据。进程的其他地址空间均被所有线程所共享,因此线程可以访问程序的全局变量和堆中分配的数据,并通过同步机制保证对数据访问的一致性。
2. pthread创建
pthread有一个线程ID,类型为pthread_t,在使用printf打印时,应转换为u类型。
pthread_equal可用于比较两个id是否相等;pthread_self用于获取当前线程的ID。
pthread_create用于创建新的线程,可以给线程传入一个void *类型的参数,例如一个结构体指针或者一个数值。
系统并不能保证哪个线程会现运行:新创建的线程还是调用线程。
3. pthread终止
a) 从线程函数中返回
b) 被同一进程中的其他线程取消
c) 线程调用pthread_exit
注意,线程的返回值需要转换为void *类型。
pthread_exit(void *ret)
pthread_join(pthread_t id, void **ret)
ret均可设置为NULL
4. mutex 互斥量使用框架
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER(仅可用在静态变量)
pthread_mutex_lock / pthread_mutex_unlock / pthread_mutex_trylock
pthread_mutex_destroy
5. cond 条件变量
pthread_cond_t qready;
pthread_mutex_t qlock;
pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
pthread_cond_init 或者 PTHREAD_COND_INITIALIZER
pthread_mutex_lock(&qlock...)
pthread_cond_wait(&qready, &qlock...) / pthread_cond_timewait
pthread_mutex_unlock(&qlock)
pthread_cond_destroy
//唤醒条件变量
pthread_cond_signal
pthread_cond_broadcast
条件变量是pthread中比较难以理解的一点,主要会产生以下疑惑:
Q1. 假如在调用pthread_{cond_wait | cond_timedwait}之前就调用pthread_cond_{signal | broadcast}会发生什么?
Q2. pthread_cond_{cond_wait | cond_timewait}为什么需要一个已经锁住的mutex作为变量?
Q3. pthread_cond_{signal | broadcast}使用之前必须获取wait中对应的mutex吗?
Q4. 假如pthread_cond_{signal | broadcast}必须获取mutex,那么下列两种形式,哪种正确?为什么?
1)
lock(lock_for_X);
change(X);
unlock(lock_for_X);
pthread_cond_{signal | broadcast};
2)
lock(lock_for_X);
change(X);
pthread_cond_{signal | broadcast};
unlock(lock_for_X);
----思考-------思考-------思考-------思考------思考-------思考------思考------思考-------思考-------
A1: 什么都不会发生,也不会出错,仅仅造成这次发送的signal丢失。
A2: 一般场景如下,我们需要检查某个条件是否满足(如队列X是否为空、布尔Y是否为真),假如没有条件变量,我们唯一的选择是
- while (1) {
-
lock(lock_for_X);
-
-
if (X is not empty) {
-
unlock(lock_for_X);
-
break;
-
} else { //X is empty, loop continues
-
unlock(lock_for_X);
-
sleep(10);
-
}
-
}
-
//X is not empty, loop ends
-
process(X);
明显这种轮询的方式非常耗费CPU时间,这时候我们很容易的想到,如果有一种机制,可以异步通知我们队列的状态发生了变化,那么我们便无须再轮询,只要等到通知到来时再检查条件是否满足即可,其他时间则将程序休眠,因此现在代码变成这样:
- while (1) {
-
lock(lock_for_X);
-
if (X is not empty) {
-
unlock(lock_for_X);
-
break;
-
} else {
-
unlock(lock_for_X); //must called before my_wait(), otherwise no one can acquire the lock and make change to X
-
-------------------------------------->窗口,由于已经解锁,其他程序可能改变X,并且试图唤醒mywait,但在一个繁忙的系统中,可能此时my_还没被调用!
-
my_wait(); //go to sleep and wait for the notification
-
}
-
}
my_wait是一个假想的函数,作用如注释所示。
不难发现,这样做以后,我们无须再轮询了,只需要等待my_wait()被唤醒以后检查条件是否满足。
但是请注意,正如图中所示,存在1个时间窗口。若其他程序在这个窗口中试图唤醒my_wait,由于此时my_wait还没有被调用,那么这个信号将丢失,造成my_wait一直阻塞。解决的办法就是,要将unlock和my_wait合并成一个原子操作,这样就不会被其他程序插入执行。我想到这里,你应该已经明白了,这个原子操作的函数就是pthread_cond_{signal | broadcast}.
A3: 是的。
详见:
A4: 对于1),在不同的操作系统中,可能会造成不确定的调度结果(可能会造成调度优先级反转);对于2)可以保证无论在何种操作系统中都将获得预期的调度顺序。
设想一个场景:有两个消费者线程A和B,我们设定A的优先级比B高,A正在等待条件变量被出发,即已经调用了pthread_wait,并且处于阻塞状态:
- lock(lock_for_X);
-
while (X is empty) {
-
pthread_cond_wait(&qready, &lock_for_X);
-
}
-
unlock(lock_for_X);
B中没有调用pthread_wait,而是做类似如下的处理:
- while(1) {
-
lock(lock_for_X);
-
dequeue(X);
-
unlock(lock_for_X);
-
}
另一个线程C,为生产者,采用1)方案,则代码如下,先unlock,再发出signal:
lock(lock_for_X);
change(X);
unlock(lock_for_X);
pthread_cond_{signal | broadcast};
当发出unlock以后,发送signal之前,此时消费者B已经满足了运行条件,而消费者A虽然优先级比B高,但是由于其运行条件还需要signal,所以不具备立刻运行的条件,此时就看操作系统如何实现调度算法了。有些操作系统,可能会因为A不具备立刻运行条件,即使它的优先级比B高,此时还是让B线程先运行,那么,后续将分成两种情况:
(a) B获得了lock,但是还没有将X队列中的刚刚加入的条目移除,此时C调用了signal,A接收到了signal,由于A的优先级高,那么A抢占B,A从函数pthread_cond_wait返回之前需要再次将lock上锁,但是A抢占后发现,lock被人锁住了(还没有被B释放),只好再次休眠,等待锁被释放,结果B又被唤醒,也可能因此造成A和B的死锁,这个具体要看操作系统的调度算法。
(b) B获得了lock,并且执行了dequeue,然后释放了锁。此时C调用了signal,A接收到了signal,由于A的优先级高,那么A抢占B,A这次顺利的获取了锁得以从pthread_cond_wait中返回,但是在检查条件时,却发现队列是空的,于是乎再次进入pthread_cond_wait休眠。结果A又无法被执行,A可能由此进入饥饿状态。
但是如果C采用2)方案:
lock(lock_for_X);
change(X);
pthread_cond_{signal | broadcast};
unlock(lock_for_X);
在unlock以后,A、B都具备了立即运行的条件,由于A比B的优先级高,因此操作系统必定会先调度A执行,就避免了前面一种不确定的调度结果。
主要参考:
6. 综合实例
- /*
-
* =====================================================================================
-
*
-
* Filename: pthread.c
-
*
-
* Description:
-
*
-
* Version: 1.0
-
* Created: 08/17/11 11:06:35
-
* Revision: none
-
* Compiler: gcc
-
*
-
* Author: YOUR NAME (),
-
* Company:
-
*
-
* =====================================================================================
-
*/
-
#include <stdio.h>
-
#include <pthread.h>
-
#include <error.h>
-
#include <stdlib.h>
-
#include <unistd.h>
-
#include <string.h>
-
-
pthread_cond_t qready;
-
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
-
-
struct foo {
-
int cnt;
-
pthread_mutex_t f_lock;
-
};
-
-
void cleanup(void *arg)
-
{
-
printf("clean up: %s\n", (char *)arg);
-
}
-
-
void printids(char *str)
-
{
-
printf("%s pid = %u tid = %u / 0x%x\n",
-
str, (unsigned int)getpid(), (unsigned int)pthread_self(), (unsigned int)pthread_self());
-
}
-
-
void *thread1(void *arg)
-
{
-
pthread_mutex_lock(&qlock);
-
pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
-
pthread_mutex_unlock(&qlock);
-
-
printids("thread1:");
-
-
pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 first cleanup handler");
-
pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 second cleanup handler");
-
printf("thread 1 push complete!\n");
-
-
pthread_mutex_lock(&((struct foo *)arg)->f_lock);
-
((struct foo *)arg)->cnt ;
-
printf("thread1: cnt = %d\n", ((struct foo *)arg)->cnt);
-
pthread_mutex_unlock(&((struct foo *)arg)->f_lock);
-
-
if (arg)
-
return ((void *)0);
-
-
pthread_cleanup_pop(0);
-
pthread_cleanup_pop(0);
-
-
pthread_exit((void *)1);
-
}
-
-
void *thread2(void *arg)
-
{
-
int exit_code = -1;
-
printids("thread2:");
-
-
printf("Now unlock thread1\n");
-
-
pthread_mutex_lock(&qlock);
-
pthread_mutex_unlock(&qlock);
-
pthread_cond_signal(&qready);
-
-
printf("Thread1 unlocked\n");
-
-
pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 first cleanup handler");
-
pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 second cleanup handler");
-
printf("thread 2 push complete!\n");
-
-
if (arg)
-
pthread_exit((void *)exit_code);
-
-
pthread_cleanup_pop(0);
-
pthread_cleanup_pop(0);
-
-
pthread_exit((void *)exit_code);
-
}
-
-
int main(int argc, char *argv[])
-
{
-
int ret;
-
pthread_t tid1, tid2;
-
void *retval;
-
struct foo *fp;
-
-
ret = pthread_cond_init(&qready, NULL);
-
if (ret != 0) {
-
printf("pthread_cond_init error: %s\n", strerror(ret));
-
return -1;
-
}
-
-
-
-
if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) == NULL) {
-
printf("malloc failed!\n");
-
return -1;
-
}
-
-
if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != 0) {
-
free(fp);
-
printf("init mutex failed!\n");
-
}
-
-
pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
-
-
ret = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, (void *)fp);
-
if (ret != 0) {
-
printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));
-
return -1;
-
}
-
ret = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, (void *)1);
-
if (ret != 0) {
-
printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));
-
return -1;
-
}
-
-
-
ret = pthread_join(tid2, &retval);
-
if (ret != 0) {
-
printf("pthread join falied!\n");
-
return -1;
-
}
-
else
-
printf("thread2 exit code %d\n", (int)retval);
-
-
fp->cnt = 1;
-
printf("main thread: cnt = %d\n",fp->cnt);
-
-
pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
-
-
sleep(1); //there is no guarantee the main thread will run before the newly created thread, so we wait for a while
-
printids("main thread:");
-
-
printf("Press to exit\n");
-
-
ret = pthread_cond_destroy(&qready);
-
if (ret != 0) {
-
printf("pthread_cond_destroy error: %s\n", strerror(ret));
-
return -1;
-
}
-
-
getchar();
-
return 0;
-
}
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