Linux-應用編程-學習筆記（19）：線程全解
前言：線程是解決進程間通信的一個非常好的方法，它保留了進程技術實現多任務的特性，是內核調度的最小單元。多線程在多核心CPU上面更有優勢。
一、線程引入
1. 用線程來解決進程的劣勢
我們知道進程技術發明的主要目的是用來實現多任務系統需求（多任務的需求是客觀的）。
進程技術的主要功能是爲了實現CPU的分時複用，從而實現宏觀上的並行。但是要知道進程之間的調度（切換）是需要耗費一定成本的。比如A進程執行到某一步去切換B進程，首先需要保存A進程此時的斷點，然後去執行B進程，等到回來再恢復斷點繼續執行……這其中斷點得保存與恢復都是要付出代價的。並且進程間的通信由於進程隔離的緣故，會比較麻煩。
因此我們可以通過線程的方式來實現進程這些劣勢的彌補，線程技術不僅保留了進程技術實現多任務的特性，還在線程間切換和線程間通信上提升了效率，並且在多核心CPU上面更有優勢。
2. 線程原理簡介
線程是參與內核調度的最小單元，一個進程中可以有多個線程（一個線程相當於一個分支任務），線程是依附於進程存在的（先得有了一個進程，纔能有裏面的線程），操作系統在調度時候調度的是進程裏面的線程。
線程可以像進程一樣可被OS調度，繼承了進程能夠可以被單獨調用的特性。
同一進程的多個線程之間很容易高效率通信（同一個進程中的多個線程就好像同一個文件中的多個函數一樣），進程中線程與線程的通信就相當於函數與主函數之間的通信，可以使用全局變量即可。
在多核心CPU（對稱多處理器架構SMP）架構下效率最大化。可以保證多線程裏面的多個線程運行在不同的CPU核心上，實現一種並行同時運行的狀態。
3. 線程常見函數
線程的創建與回收：
（1）pthread_create ：主線程用來創造子線程的
（2）pthread_join：主線程用來等待（阻塞）回收子線程
（3）pthread_detach： 主線程用來分離子線程，分離後主線程不必再去回收子線程（子線程自己管自己）
線程的取消：
（1）pthread_cancel： 一般都是主線程調用該函數去取消（讓它趕緊死）子線程
（2）pthread_setcancelstate ：子線程設置自己是否允許被取消（如果設置宏爲不可被取消，那麼cancel不管用）
（3）pthread_setcanceltype：取消的時候的模式（允許取消時候纔會生效）
線程函數的退出：
（1）pthread_exit：標準的子線程退出方式（子線程不能調用exit返回，因爲你屬於進程的一部分，調用exit直接把進程整個都退出了）
（2）pthread_cleanup_push：解決破壞鎖的問題（具體分析見下面）
（3）pthread_cleanup_pop：接應push函數，將內部保存的信息從棧中取出來（0表示拿出來不執行，1表示拿出來執行）
解釋一下上述過程：
首先如果線程正常運行沒有被取消，那麼cnt在進行線程操作之前被加1（上鎖），線程運行結束後cnt減1（解鎖），其中cnt的變化爲0->1->0，解鎖後的cnt可以供其他線程使用。
如果線程在沒有結束時就被取消了，那麼cnt沒有經歷減1（解鎖），則其他線程將無法進入（鎖壞掉）。所以我們可以使用pthread_cleanup_push函數，在線程執行前先將解鎖函數（function）提前保存在棧中，如果線程被取消，那麼能夠通過棧中的解鎖函數來保證鎖不會壞掉。
二、線程同步方法
通過一個任務來實現線程間的同步。
任務：用戶從終端輸入任意字符然後統計個數顯示，輸入end則結束。
1. 使用信號量進行同步
線程同步就是主線程和子線程之間的配合。想要的效果是平時子線程時阻塞住的狀態，主線程獲取用戶輸入的字符，如果不等於“end”，那麼就去激活子線程，將輸入的內容打印出來。
使用信號量的方式就是通過定義一個cnt，使其爲0，在線程執行前給cnt++（上鎖），線程結束後給cnt–（解鎖）。這裏使用封裝好的庫函數即可。
sem_init：初始化未命名的信號量。
sem_post：發送解鎖信號給指向的信號量。
sem_wait：鎖定指向的信號量。
sem_destroy：銷燬定義的信號量。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
char buf[200] = {0};
//定義一個sem_t類型的變量
sem_t sem;
unsigned int flag = 0;
// 子線程程序，作用是統計buf中的字符個數並打印
void *func(void *arg)
{
// 子線程首先應該有個循環
// 循環中阻塞在等待主線程激活的時候，子線程被激活後就去獲取buf中的字符長度，然後打印；完成後再次被阻塞
//阻塞住，等到發送信號才執行
sem_wait(&sem);
while (flag == 0)
{
printf("本次輸入了%d個字符\n", strlen(buf));
memset(buf, 0, sizeof(buf));
sem_wait(&sem);
}
//退出線程
pthread_exit(NULL);
}
int main(void)
{
int ret = -1;
pthread_t th = -1;
//初始化一個信號量
sem_init(&sem, 0, 0);
//創建一個線程
ret = pthread_create(&th, NULL, func, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_create error.\n");
exit(-1);
}
printf("輸入一個字符串，以回車結束\n");
while (scanf("%s", buf)) //如果有輸入內容進入循環
{
// 去比較用戶輸入的是不是end，如果是則退出，如果不是則繼續
if (!strncmp(buf, "end", 3))
{
printf("程序結束\n");
flag = 1;
//發送信號
sem_post(&sem);
break;
}
// 主線程在收到用戶收入的字符串，並且確認不是end後就去發信號激活子線程來計數。
// 子線程被阻塞，主線程可以激活，這就是線程的同步問題。
// 信號量就可以用來實現這個線程同步
sem_post(&sem);
}
// 回收子線程
printf("等待回收子線程\n");
ret = pthread_join(th, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_join error.\n");
exit(-1);
}
printf("子線程回收成功\n");
//銷燬信號量
sem_destroy(&sem);
return 0;
}
2. 使用互斥鎖進行同步
互斥鎖又稱互斥量。互斥鎖和信號量的關係：可以認爲互斥鎖是一種特殊的信號量。信號量可以一直加（能夠實現排隊），而互斥鎖只能是0或者1。
互斥鎖一般用來實現關鍵段的保護，流程一般爲上鎖->執行->解鎖。
pthread_mutex_init：使用attr指定的屬性初始化由互斥鎖引用的互斥鎖。
pthread_mutex_lock：用來鎖定互斥鎖。
pthread_mutex_unlock：解除互斥鎖。
pthread_mutex_destroy：銷燬互斥鎖。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
char buf[200] = {0};
//定義一個互斥鎖的變量
pthread_mutex_t mutex;
unsigned int flag = 0;
// 子線程程序，作用是統計buf中的字符個數並打印
void *func(void *arg)
{
// 子線程首先應該有個循環
// 循環中阻塞在等待主線程激活的時候，子線程被激活後就去獲取buf中的字符
// 長度，然後打印；完成後再次被阻塞
sleep(1);
while (flag == 0)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("本次輸入了%d個字符\n", strlen(buf));
memset(buf, 0, sizeof(buf));
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
pthread_exit(NULL);
}
int main(void)
{
int ret = -1;
pthread_t th = -1;
//創建一個互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
//創建一個子線程
ret = pthread_create(&th, NULL, func, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_create error.\n");
exit(-1);
}
printf("輸入一個字符串，以回車結束\n");
while (1)
{
//互斥鎖上鎖
pthread_mutex_lock(&mutex);
scanf("%s", buf);
//互斥鎖解鎖
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 去比較用戶輸入的是不是end，如果是則退出，如果不是則繼續
if (!strncmp(buf, "end", 3))
{
printf("程序結束\n");
flag = 1;
break;
}
//這裏sleep的作用是確保主子線程不會搶鎖
sleep(1);
}
// 回收子線程
printf("等待回收子線程\n");
ret = pthread_join(th, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_join error.\n");
exit(-1);
}
printf("子線程回收成功\n");
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
這裏只是一個簡單的互斥鎖使用示例，正常情況下互斥鎖用來保護一些關鍵的位置，這些位置有着明顯的先後順序，所以不至於用sleep來控制搶鎖。
3. 使用條件變量進行同步
條件變量是線程同步的一種特有的方法，也是效率比較高的一種方法。當線程不滿足條件時，就一直等待這個條件（阻塞），另一個提供條件的線程當滿足發送條件時，就會給這個線程發送一個條件從而激活這個阻塞住的線程，被激活之後就會繼續運行。
條件變量在使用時可以與互斥鎖配合使用。
pthread_cond_init：初始化cond所引用的一個條件變量。
pthread_cond_destroy：銷燬被引用的條件變量。
pthread_cond_wait：該函數應在條件變量上阻塞。 它們應使用被調用線程鎖定的互斥鎖或未定義的行爲結果來調用。
pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast：這些函數應解除阻塞在條件變量上阻塞的線程。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
char buf[200] = {0};
//定義互斥鎖變量
pthread_mutex_t mutex;
//定義條件變量
pthread_cond_t cond;
unsigned int flag = 0;
// 子線程程序，作用是統計buf中的字符個數並打印
void *func(void *arg)
{
// 子線程首先應該有個循環
// 循環中阻塞在等待主線程激活的時候，子線程被激活後就去獲取buf中的字符
// 長度，然後打印；完成後再次被阻塞
while (flag == 0)
{
//上鎖
pthread_mutex_lock(&mutex);
//等待條件變量滿足才能繼續執行
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
printf("本次輸入了%d個字符\n", strlen(buf));
memset(buf, 0, sizeof(buf));
//解鎖
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
//退出子線程
pthread_exit(NULL);
}
int main(void)
{
int ret = -1;
pthread_t th = -1;
//初始化一個互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
//初始化一個條件變量
pthread_cond_init(&cond, NULL);
//創建一個子線程
ret = pthread_create(&th, NULL, func, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_create error.\n");
exit(-1);
}
printf("輸入一個字符串，以回車結束\n");
while (1)
{
scanf("%s", buf);
//發送條件變量滿足信號
pthread_cond_signal(&cond);
// 去比較用戶輸入的是不是end，如果是則退出，如果不是則繼續
if (!strncmp(buf, "end", 3))
{
printf("程序結束\n");
flag = 1;
break;
}
// 主線程在收到用戶收入的字符串，並且確認不是end後
// 就去發信號激活子線程來計數。
// 子線程被阻塞，主線程可以激活，這就是線程的同步問題。
// 信號量就可以用來實現這個線程同步
}
// 回收子線程
printf("等待回收子線程\n");
ret = pthread_join(th, NULL);
if (ret != 0)
{
printf("pthread_join error.\n");
exit(-1);
}
printf("子線程回收成功\n");
//銷燬互斥鎖
pthread_mutex_destroy(&mutex);
//銷燬條件變量
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;
}
