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探索Linux多线程编程，第四部分揭示了哪些关键概念与技巧？

admin
行业动态
2024-10-06
4

在Linux多线程编程中，常用的库是pthread。创建线程的函数是 pthread_create()，需要传入一个线程标识符、一个指向线程属性的指针、一个指向线程函数的指针以及一个传递给线程函数的参数。

在Linux环境下，多线程编程是一种利用操作系统的多任务处理机制，以实现程序并发执行的编程模型，通过pthread库，开发者可以创建、管理和同步线程，从而充分利用多核处理器的优势，提高程序的性能和响应速度，多线程编程涉及到共享资源的访问，需要特别注意资源同步问题，以避免竞态条件和数据不一致性。

探索Linux多线程编程，第四部分揭示了哪些关键概念与技巧？第1张

线程的基本操作

1、线程的创建：

使用pthread_create()函数创建新的线程，该函数接受一个指向线程标识符的指针、线程属性、线程函数及传递给线程函数的参数，当线程创建成功后，会返回0，否则返回错误码。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_function(void* arg) {
    printf("Hello from the thread!
");
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t my_thread;
    pthread_create(&my_thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(my_thread, NULL);
    return 0;
}

2、线程的终止：

线程可以通过从其线程函数中返回来自然结束，或者调用pthread_exit()函数来显式结束，主线程可以通过pthread_cancel()来取消一个线程的执行。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread is running.
");
    pthread_exit(NULL);
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread is terminated.
");
    return 0;
}

3、线程的调度：

Linux操作系统使用调度器来决定线程的执行顺序，调度器根据线程的优先级、调度策略和运行状态等信息，选择下一个要执行的线程，Linux默认使用抢占式调度，线程可以被其他优先级更高的线程抢占。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_function(void* arg) {
    // Thread task
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    // Set thread scheduling parameters if needed
    pthread_setschedparam(thread, SCHED_FIFO, &param);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

线程间通信与同步

1、互斥锁（Mutex）：

互斥锁用于保护共享资源，确保在任意时刻只有一个线程可以访问，它防止多个线程同时修改同一资源，从而避免数据的不一致性。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t my_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* thread_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&my_mutex);
    // Access shared resource
    pthread_mutex_unlock(&my_mutex);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t my_thread;
    pthread_create(&my_thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_mutex_lock(&my_mutex);
    // Access shared resource
    pthread_mutex_unlock(&my_mutex);
    pthread_join(my_thread, NULL);
    return 0;
}

2、条件变量（Condition Variable）：

条件变量允许一个线程等待某个条件的发生，而其他线程可以在满足条件时通知等待的线程，这通常与互斥锁一起使用，以确保线程安全。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t my_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t my_condition = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int shared_data = 0;
void* producer_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&my_mutex);
    shared_data = 42;
    pthread_cond_signal(&my_condition);
    pthread_mutex_unlock(&my_mutex);
    return NULL;
}
void* consumer_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&my_mutex);
    while (shared_data == 0) {
        pthread_cond_wait(&my_condition, &my_mutex);
    }
    printf("Consumer: %d
", shared_data);
    pthread_mutex_unlock(&my_mutex);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer_function, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer_function, NULL);
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);
    return 0;
}

3、信号量（Semaphore）：

信号量是一种更为灵活的线程同步机制，可以控制对共享资源的访问，它允许多个线程同时访问，但限制同时访问的线程数量。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t my_semaphore;
void* thread_function(void* arg) {
    sem_wait(&my_semaphore);
    // Access shared resource
    sem_post(&my_semaphore);
    return NULL;
}
int main() {
    sem_init(&my_semaphore, 0, 1);
    pthread_t my_thread;
    pthread_create(&my_thread, NULL, thread_function, NULL);
    sem_wait(&my_semaphore);
    // Access shared resource
    sem_post(&my_semaphore);
    pthread_join(my_thread, NULL);
    sem_destroy(&my_semaphore);
    return 0;
}

常见问题解答（FAQs）

1、Q：在Linux中如何查看当前系统中所有线程的信息？

A：可以使用ps命令结合T选项来查看当前系统中所有线程的信息。ps eLf将列出系统中所有线程的详细信息，包括线程ID、所属进程ID、线程状态等，还可以使用top命令并按H键来切换到线程级别的视图，实时查看系统中线程的状态信息，这些命令对于监控和调试多线程应用程序非常有用，可以帮助开发者了解线程的运行情况和系统资源的使用状况。

2、Q：为什么多线程编程时需要特别注意资源同步问题？

A：多线程编程时，由于多个线程可能同时访问和修改共享资源（如全局变量、文件描述符等），如果不正确同步这些操作，就可能导致数据不一致或竞态条件等问题，两个线程同时修改同一个变量而没有适当的同步措施时，可能会导致变量的值不可预测，必须使用互斥锁、条件变量、信号量等同步机制来确保在任何时刻只有一个线程能够访问共享资源，或者按照特定的顺序和条件进行访问，从而保证数据的完整性和逻辑的正确性，正确的资源同步是实现多线程程序稳定可靠运行的关键。

Linux多线程编程（四）：线程同步与互斥

1、引言

2、线程同步的概念

3、互斥锁（Mutex）

4、条件变量（Condition Variable）

5、读写锁（ReadWrite Lock）

6、信号量（Semaphore）

7、互斥锁的优化

8、归纳

1. 引言

在多线程编程中，多个线程共享资源，为了避免数据竞争和条件竞争，需要使用线程同步机制，线程同步确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源，从而保证数据的一致性和程序的正确性。

2. 线程同步的概念

线程同步是指协调多个线程的执行顺序，确保它们按照特定的顺序执行，防止出现竞态条件（race condition）。

3. 互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本的线程同步机制，确保一次只有一个线程可以访问共享资源。

互斥锁的使用

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    // 临界区代码
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_func, NULL); // 创建线程
    pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束
    pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
    return 0;
}

互斥锁的特性

原子性：互斥锁的锁定和解锁操作是原子的。

可重入性：一个线程可以多次锁定同一个互斥锁。

4. 条件变量（Condition Variable）

条件变量允许线程在某个条件不满足时等待，直到条件变为真时被唤醒。

条件变量的使用

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (condition_not_met()) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    // 条件满足后的代码
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_func, NULL);
    // ... 其他线程操作 ...
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

条件变量的特性

原子性：条件变量的等待和唤醒操作是原子的。

顺序性：条件变量的唤醒操作不会释放互斥锁，因此等待线程不会立即开始执行。

5. 读写锁（ReadWrite Lock）

读写锁允许多个线程同时读取数据，但只允许一个线程写入数据。

读写锁的使用

#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock;
void* reader_thread_func(void* arg) {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
    // 读取数据
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    return NULL;
}
void* writer_thread_func(void* arg) {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    // 写入数据
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t reader_thread_id, writer_thread_id;
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
    pthread_create(&reader_thread_id, NULL, reader_thread_func, NULL);
    pthread_create(&writer_thread_id, NULL, writer_thread_func, NULL);
    // ... 其他线程操作 ...
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0;
}

读写锁的特性

读者优先：允许多个读者同时访问，但阻止写者。

写者优先：如果有写者正在访问，读者和写者都必须等待。

6. 信号量（Semaphore）

信号量是一种更通用的同步机制，可以用于实现互斥锁、条件变量等功能。

信号量的使用

#include <semaphore.h>
sem_t sem;
void* thread_func(void* arg) {
    sem_wait(&sem); // P操作
    // 临界区代码
    sem_post(&sem); // V操作
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread_id;
    sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化信号量
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_func, NULL);
    // ... 其他线程操作 ...
    sem_destroy(&sem); // 销毁信号量
    return 0;
}

信号量的特性

可重入性：信号量可以多次进行P操作和V操作。

优先级继承：低优先级的线程在等待高优先级的线程释放资源时，可以继承高优先级的优先级。

7. 互斥锁的优化

为了提高互斥锁的性能，可以采用以下优化措施：

锁分离：将读写操作分别使用不同的锁。

锁粗化：将多个连续的锁操作合并为一个。

锁升级：将读写锁转换为互斥锁。

8. 归纳

线程同步是Linux多线程编程中非常重要的概念，它确保了线程之间对共享资源的正确访问，通过使用互斥锁、条件变量、读写锁和信号量等同步机制，可以有效地避免竞态条件和条件竞争，保证程序的正确性和性能。

互斥锁条件变量线程同步

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