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Linux Shell:local关键字

冶炼厂小练 03-13 20:30 阅读 2

第三章 Linux 多线程开发

3.1 线程

  • 线程概述

    • 进程process )类似,线程 ( thread )是允许应用程序 并发执行 多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序,且共享同一份全局内存区域 ,其中包括 初始化数据段未初始化数据段,以及 堆内存段。(传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例,该进程只包含一个线程)

    • 进程CPU 分配资源的最小单位,线程是操作系统调度执行的最小单位。

    • 线程是轻量级的进程( LWP Light Weight Process ),在 Linux 环境下线程的本质仍是进程。

    • 查看指定进程的 LWP 号ps -Lf pid

      例如:打开火狐浏览器,查看进程所包含的线程

      在这里插入图片描述

      在这里插入图片描述

  • 线程和进程区别

    • 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外,父子进程并未共享内存,因此必须采用一些进程间通信方式,在进程间进行信息交换。
    • 调用 fork() 来创建进程的代价相对较高,即便利用写时复制技术,仍然需要复制诸如 内存页表文件描述符表 之类的多种 进程属性,这意味着 fork() 调用在时间上的开销依然不菲。
    • 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到 共享(全局或堆)变量 中即可。
    • 创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的,无需采用写时复制来复制内存,也无需复制页表
  • 线程和进程虚拟地址空间在这里插入图片描述

  • 线程之间共享 和 非共享资源

    • 共享资源

      • 进程 ID 和父进程 ID
      • 进程组 ID 和会话 ID
      • 用户 ID 和 用户组 ID
      • 文件描述符表 (这些都是内核中的数据
      • 信号处置
      • 文件系统的相关信息:文件权限掩码 ( umask )、当前工作目录
      • 虚拟地址空间(除 .text )
    • 非共享资源

      • 线程 ID
      • 信号掩码
      • 线程特有数据
      • error 变量
      • 实时调度策略和优先级
      • 栈,本地变量和函数的调用链接信息
  • NPTL 简介

    • 当 Linux 最初开发时,在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过 clone() 系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程( calling process )的一个拷贝,这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。 LinuxThreads 项目使用这个调用来完成在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是,这种方法有一些缺点,尤其是在信号处理、调度和进程间同步等方面都存在问题。另外,这个线程模型也不符合 POSIX 的要求。

    • 要改进 LinuxThreads ,需要内核的支持,并且重写线程库。有两个相互竞争的项目开始来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT ( Next Generation POSIX Threads )项目。同时Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。 NGPT 在 2003 年中期被放弃了,把这个领域完全留给了 NPTL

    • NPTL ,或称为 Native POSIX Thread Library ,是 Linux 线程的一个新实现,它克服了 LinuxThreads 的缺点,同时也符合 POSIX 的需求。与 LinuxThreads 相比,它在性能和稳定性方面都提供了重大的改进。

    • 查看当前 pthread 库版本:getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

      在这里插入图片描述

3.1.2 线程操作
// 创建一个子线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

// 获取当前的线程的线程ID
pthread_t pthread_self(void);

// 比较两个线程ID是否相等
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

// 终止一个线程
void pthread_exit(void *retval);

// 和一个已经终止的线程进行连接
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

// 分离一个线程。被分离的线程在终止的时候,会自动释放资源返回给系统
int pthread_detach(pthread_t thread);

// 取消线程(让线程终止)
int pthread_cancel(pthread_t thread);
  • 以上命令也可以使用 man pthread + 按两次Tab键 / man -k pthread 进行查询

    # 如果输入,显示 没有 pthread 的手册页条目
    # 执行如下两条命令
    sudo apt-get install glibc-doc
    sudo apt-get install manpages-posix manpages-posix-dev
    
    # 再输入
    man pthread + 按两次Tab键
    man -k pthread
    

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

  • 一般情况下, main 函数所在的线程我们称之为主线程main线程),其余创建的线程称之为 子线程

    • 程序中默认只有一个进程,fork() 函数调用,会有2进程。(主进程、子进程)
    • 程序中默认只有一个线程,pthread_create() 函数调用,2个线程。(主线程、子线程)
  • int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

    • 功能创建 一个子线程

    • 参数

      • thread传出参数,线程创建成功后,子线程的线程ID 被写到该变量中。
      • attr : 设置线程的属性,一般使用默认值NULL
      • start_routine : 函数指针,这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
      • arg : 给第三个参数使用,传参
    • 返回值

      • 成功0
      • 失败:返回错误号。这个错误号和之前 errno 不太一样。
        • 获取错误号的信息: char * strerror(int errnum);
      #include <stdio.h>
      #include <pthread.h>
      #include <string.h>
      #include <unistd.h>
      
      // 子线程
      void * callback(void * arg) {
          printf("child thread...\n");
          printf("arg value: %d\n", *(int *)arg);
          return NULL;
      }
      
      int main() { // 主线程
      
          pthread_t tid;
      
          int num = 10;
      
          // 创建一个子线程
          int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, (void *)&num);
      
          if(ret != 0) {
              char * errstr = strerror(ret);
              printf("error : %s\n", errstr);
          } 
      
          for(int i = 0; i < 5; i++) {
              printf("%d\n", i);
          }
      
          sleep(1);
      
          return 0;   // exit(0); 退出进程
      }
      
      • 编译上面对的pthread_create.c文件:gcc pthread_create.c -o create -lpthread,因为 pthread.h 是第三方库,所有要使用 -l库名 链接。⭐️⭐️⭐️
        在这里插入图片描述
  • void pthread_exit(void *retval);

    • 功能终止一个线程,在哪个线程中调用,就表示终止哪个线程
    • 参数
      • retval: 需要传递一个指针,作为一个返回值,可以在 pthread_join()获取到
  • pthread_t pthread_self(void);

    • 功能获取 当前的线程的 线程ID
  • int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

    • 功能比较 两个线程ID是否相等
    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    
    void * callback(void * arg) {
        printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());
        return NULL;    // pthread_exit(NULL);
    } 
    
    int main() {
    
        // 创建一个子线程
        pthread_t tid;
        int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error : %s\n", errstr);
        }
    
        // 主线程
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            printf("%d\n", i);
        }
    
        printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());
    
        // 让主线程退出,当主线程退出时,不会影响其他正常运行的线程。
        pthread_exit(NULL);
    
        printf("main thread exit\n"); // 该句不会运行
    
        return 0;   // exit(0);
    }
    
  • int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

    • 功能:和一个已经终止的线程进行 连接
      回收子线程的资源
      这个函数是阻塞函数,调用一次只能回收一个子线程
      一般在主线程中使用
    • 参数
      • thread:需要回收的子线程的ID
      • retval: 接收子线程退出时的返回值 (二级指针)
    • 返回值
      0 : 成功
      非0 : 失败,返回的错误号
    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    int value = 10;  //全局变量(共享)
    
    void * callback(void * arg) {
        printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());
        // sleep(3);
        // return NULL; 
        // int value = 10; // 局部变量,该线程退出时就会销毁
        pthread_exit((void *)&value);   //等同: return (void *)&value;
    } 
    
    int main() {
    
        // 创建一个子线程
        pthread_t tid;
        int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error : %s\n", errstr);
        }
    
        // 主线程
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            printf("%d\n", i);
        }
    
        printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());
    
        // 主线程调用pthread_join()回收子线程的资源
        int * thread_retval;
        ret = pthread_join(tid, (void **)&thread_retval);
    
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error : %s\n", errstr);
        }
    
        printf("exit data : %d\n", *thread_retval); // 返回的全局变量 (如果是子线程中的局部变量,会返回随机值,因为子线程中的局部变量被收回)
    
        printf("回收子线程资源成功!\n");
    
        // 让主线程退出,当主线程退出时,不会影响其他正常运行的线程。
        pthread_exit(NULL);
    
        return 0; 
    }
    
    
  • int pthread_detach(pthread_t thread);

    • 功能分离 一个线程。被分离的线程在终止的时候,会自动释放资源返回给系统。

      1. 不能多次分离,会产生不可预料的行为。
      2. 不能去连接一个已经分离的线程,会报错
    • 参数:需要分离的线程的ID

    • 返回值

      成功0

      失败:返回错误号

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    void * callback(void * arg) {
        printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
        return NULL;
    }
    
    int main() {
    
        // 创建一个子线程
        pthread_t tid;
    
        int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error1 : %s\n", errstr);
        }
    
        // 输出主线程和子线程的id
        printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());
    
        // 设置子线程分离,子线程分离后,子线程结束时对应的资源就不需要主线程释放
        ret = pthread_detach(tid);
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error2 : %s\n", errstr);
        }
    
        // 设置分离后,对分离的子线程进行连接 pthread_join()
        // ret = pthread_join(tid, NULL);
        // if(ret != 0) {
        //     char * errstr = strerror(ret);
        //     printf("error3 : %s\n", errstr);
        // }
    
        pthread_exit(NULL);
    
        return 0;
    }
    
  • int pthread_cancel(pthread_t thread);

    • 功能取消 线程(让线程终止)

      取消某个线程,可以终止某个线程的运行,

      但是并不是立马终止,而是当子线程执行到一个取消点,线程才会终止。

      • 取消点:系统规定好的一些 系统调用,我们可以粗略的理解为 用户区内核区 的切换,这个位置称之为取消点。
    • 返回值:(和上面的相同

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    void * callback(void * arg) {
        printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            printf("child : %d\n", i); // 也是一个取消点
        }
        return NULL;
    }
    
    int main() {
        
        // 创建一个子线程
        pthread_t tid;
    
        int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error1 : %s\n", errstr);
        }
    
        // 取消线程
        pthread_cancel(tid);
    
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            printf("%d\n", i);
        }
    
        // 输出主线程和子线程的id
        printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());
    
        
        pthread_exit(NULL);
    
        return 0;
    }
    
3.1.2 线程属性
// 线程属性类型: pthread_attr_t
// 初始化线程属性变量
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);

// 释放线程属性的资源
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

// 获取线程分离的状态属性
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);

// 设置线程分离的状态属性
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
  • 查看线程属性的操作man pthread_attr_+按两次Tab键

    在这里插入图片描述

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    void * callback(void * arg) {
        printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
        return NULL;
    }
    
    int main() {
    
        // 创建一个线程属性变量
        pthread_attr_t attr;
        // 初始化属性变量
        pthread_attr_init(&attr);
    
        // 设置属性
        pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    
        // 创建一个子线程
        pthread_t tid;
    
        int ret = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);
        if(ret != 0) {
            char * errstr = strerror(ret);
            printf("error1 : %s\n", errstr);
        }
    
        // 获取线程的栈的大小
        size_t size;
        pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);
        printf("thread stack size : %ld\n", size);
    
        // 输出主线程和子线程的id
        printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());
    
        // 释放线程属性资源
        pthread_attr_destroy(&attr);
    
        pthread_exit(NULL);
    
        return 0;
    }
    

3.2 线程同步

  • 线程的主要优势在于,能够通过 全局变量 来共享信息。不过,这种便捷的共享是有代价的:必须确保多个线程不会同时修改同一变量,或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量
  • 临界区 是指访问某一 共享资源的代码片段,并且这段代码的执行应为 原子操作,也就是同时访问同一共享资源的其他线程 不应终断 该片段的执行。
  • 线程同步:即当有一个线程在对内存进行操作时,其他线程都不可以对这个内存地址进行操作,直到该线程完成操作,其他线程才能对该内存地址进行操作,而其他线程则处于等待状态

使用多线程实现买票的案例

  • 有3个窗口,一共是100张票。

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    // 全局变量,所有的线程都共享这一份资源。
    int tickets = 100;
    
    void * sellticket(void * arg) {
        // 卖票
        while(tickets > 0) {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }
        return NULL;
    }
    
    int main() { // 主线程
    
        // 创建3个子线程
        pthread_t tid1, tid2, tid3;
        pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
        pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);
    
        // 回收子线程的资源,阻塞
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
        pthread_join(tid3, NULL);
    
        // 或设置线程分离,子线程结束后资源自动回收
        // pthread_detach(tid1);
        // pthread_detach(tid2);
        // pthread_detach(tid3);
    
        pthread_exit(NULL); // 退出主线程
    
        return 0;// 如果不设置上一步,主线程结束后,子线程也会全结束。
    }
    
3.2.1 互斥量/锁
  • 为避免线程更新共享变量时出现问题,可以使用 互斥量mutexmutual exclusion 的缩写)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的 原子访问

  • 互斥量有两种状态: 已锁定locked )和 未锁定 ( unlocked )。任何时候,至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁,将可能 阻塞线程 或者 报错失败,具体取决于加锁时使用的方法。

  • 一旦线程锁定互斥量,随即成为该互斥量的所有者只有所有者才能给互斥量解锁。一般情况下,对每一共享资源(可能由多个相关变量组成)会使用不同的互斥量,每一线程在访问同一资源时将采用如下协议:

    1. 针对共享资源 锁定互斥量
    2. 访问 共享资源
    3. 对互斥量 解锁
  • 如果多个线程试图执行这一块代码(一个临界区),事实上只有一个线程能够持有该 互斥量(其他线程将遭到阻塞),即同时只有一个线程能够进入这段代码区域,如下图所示:

    在这里插入图片描述

  • 互斥量相关操作函数

    • 互斥量的类型 pthread_mutex_t
    // 初始化互斥量
    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    
    // 释放互斥量的资源
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    
    // 加锁,阻塞的,如果有一个线程加锁了,那么其他的线程只能阻塞等待
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    
    // 尝试加锁,如果加锁失败,不会阻塞,会直接返回。
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);   // 非阻塞
    
    // 解锁
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    
    • int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

      • 功能:初始化互斥量

      • 参数

        • mutex : 需要初始化的互斥量变量
        • attr : 互斥量相关的属性,NULL
      • restrict : C语言的修饰符,被修饰的指针,不能由另外的一个指针进行操作。

        pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
        pthread_mutex_t *mutex1 = mutex; // 错误
        

      解决上面买票的问题

      #include <stdio.h>
      #include <pthread.h>
      #include <unistd.h>
      
      // 全局变量,所有的线程都共享这一份资源。
      int tickets = 1000;
      
      // 创建一个互斥量
      pthread_mutex_t mutex;
      
      void * sellticket(void * arg) {
      
          // 卖票
          while(1) {
      
              // 加锁
              pthread_mutex_lock(&mutex);
      
              if(tickets > 0) {
                  usleep(6000);
                  printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
                  tickets--;
              }else {
                  // 解锁
                  pthread_mutex_unlock(&mutex);
                  break;
              }
      
              // 解锁
              pthread_mutex_unlock(&mutex);
          }
      
          return NULL;
      }
      
      int main() {
      
          // 初始化互斥量
          pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
      
          // 创建3个子线程
          pthread_t tid1, tid2, tid3;
          pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
          pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
          pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);
      
          // 回收子线程的资源,阻塞
          pthread_join(tid1, NULL);
          pthread_join(tid2, NULL);
          pthread_join(tid3, NULL);
      
          pthread_exit(NULL); // 退出主线程
      
          // 释放互斥量资源
          pthread_mutex_destroy(&mutex);
      
          return 0;
      }
      
3.2.2 死锁
  • 有时,一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源,而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程 加锁 同一组互斥量 时,就有可能发生 死锁

  • 两个或两个以上的进程在执行过程中,因争夺共享资源而造成的一种 互相等待 的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁

  • 死锁的几种场景:

    • 忘记 释放锁
    • 重复 加锁
    • 多线程多锁,抢占锁资源

    在这里插入图片描述

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    // 创建2个互斥量
    pthread_mutex_t mutex1, mutex2;
    
    void * workA(void * arg) {
    
        pthread_mutex_lock(&mutex1);
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex2);
    
        printf("workA....\n");
    
        pthread_mutex_unlock(&mutex2);
        pthread_mutex_unlock(&mutex1);
        return NULL;
    }
    
    
    void * workB(void * arg) {
        pthread_mutex_lock(&mutex2);
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex1);
    
        printf("workB....\n");
    
        pthread_mutex_unlock(&mutex1);
        pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    
        return NULL;
    }
    
    int main() {
    
        // 初始化互斥量
        pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
        pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);
    
        // 创建2个子线程
        pthread_t tid1, tid2;
        pthread_create(&tid1, NULL, workA, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, workB, NULL);
    
        // 回收子线程资源
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
    
        // 释放互斥量资源
        pthread_mutex_destroy(&mutex1);
        pthread_mutex_destroy(&mutex2);
    
        return 0;
    }
    
3.2.3 读写锁
  • 当有一个线程已经持有 互斥锁 时,互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形,当前持有互斥锁的线程只是要 读访问 共享资源,而同时有其它几个线程也想 读取 这个共享资源,但是由于互斥锁的排它性,所有其它线程都无法获取锁,也就无法读访问共享资源了,但是实际上多个线程同时 读访问 共享资源并不会导致问题。

  • 在对数据的读写操作中,更多的是 读操作,写操作较少,例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出,但只允许一个写入的需求,线程提供了 读写锁 来实现。

  • 读写锁 的特点:

    • 如果有其它线程读数据,则允许其它线程执行读操作,但不允许操作
    • 如果有其它线程写数据,则其它线程都不允许读、写操作
    • 写是独占的,写的优先级高。
  • 读写锁相关操作函数

    • 读写锁 的类型 pthread_rwlock_t
    // 初始化
    int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
    
    // 释放资源
    int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
    
    // 加读锁
    int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加读锁
    
    // 加写锁
    int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加写锁
    
    // 解锁
    int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
    

案例8个线程 操作 同一个全局变量

  • 3个线程 不定时 这个全局变量5个线程 不定时的 这个全局变量
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 创建一个共享数据
int num = 1;
// pthread_mutex_t mutex; 	// 定义互斥锁
pthread_rwlock_t rwlock; 	// 定义读写锁

void * writeNum(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        num++;
        printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void * readNum(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("===read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

int main() {

   pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    // 创建3个写线程,5个读线程
    pthread_t wtids[3], rtids[5];
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&wtids[i], NULL, writeNum, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&rtids[i], NULL, readNum, NULL);
    }

    // 设置线程分离
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
       pthread_detach(wtids[i]);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
         pthread_detach(rtids[i]);
    }

    pthread_exit(NULL); // 主线程退出,子线程继续运行

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

3.3 生产者消费者模型

  • 生产者消费者模型中的对象
    1. 生产者(多个)
    2. 消费者(多个)
    3. 容器

在这里插入图片描述

  • 生产者消费者模型(粗略的版本,先不考虑容器的容量

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    
    // 创建一个互斥量
    pthread_mutex_t mutex;
    
    struct Node{ // 链表节点
        int num;
        struct Node *next;
    };
    
    // 头结点
    struct Node * head = NULL;
    
    void * producer(void * arg) { // 生产者
    
        // 不断的创建新的节点,添加到链表中
        while(1) {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
            newNode->next = head;
            head = newNode;
            newNode->num = rand() % 1000; // 随机数
            printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }
    
        return NULL;
    }
    
    void * customer(void * arg) { // 消费者
    
        while(1) {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            // 保存头结点的指针
            struct Node * tmp = head;
    
            // 判断是否有数据
            if(head != NULL) {
                // 有数据
                head = head->next;
                printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
                free(tmp);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                usleep(100);
            } else {
                // 没有数据
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
            }
        }
        return  NULL;
    }
    
    int main() {
    
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
        // 创建5个生产者线程,和5个消费者线程
        pthread_t ptids[5], ctids[5];
    
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
            pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
        }
    
        for(int i = 0; i < 5; i++) { // 线程分离
            pthread_detach(ptids[i]);
            pthread_detach(ctids[i]);
        }
    
        while(1) {
            sleep(10);
        }
    
        pthread_mutex_destroy(&mutex); // 线程退出,退出主线程
    
        pthread_exit(NULL);
    
        return 0;
    }
    
3.3.1 条件变量

条件变量 的类型 pthread_cond_t

  • 条件变量 不是锁
  • 某个条件满足以后,可以 引起 / 解除 线程阻塞
// 初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 释放
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

// 等待,调用了该函数,线程会阻塞。 (当容器为空时,消费者停止消费,等待生产者生产)
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime); // 等待一定时间,调用了这个函数,线程会阻塞,直到指定的时间结束。

// 唤醒一个或者多个等待的线程(发一个信号,告诉消费者可以消费了)
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 广播,唤醒所有的等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
  • 生产者消费者模型改进

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    
    // 创建一个互斥量
    pthread_mutex_t mutex;
    // 创建条件变量
    pthread_cond_t cond;
    
    struct Node{
        int num;
        struct Node *next;
    };
    
    // 头结点
    struct Node * head = NULL;
    
    void * producer(void * arg) {
    
        // 不断的创建新的节点,添加到链表中
        while(1) {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
            newNode->next = head;
            head = newNode;
            newNode->num = rand() % 1000;
            printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
            
            // 只要生产了一个,就通知消费者消费
            pthread_cond_signal(&cond);
    
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }
    
        return NULL;
    }
    
    void * customer(void * arg) {
    
        while(1) {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            // 保存头结点的指针
            struct Node * tmp = head;
            // 判断是否有数据
            if(head != NULL) {
                // 有数据
                head = head->next;
                printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
                free(tmp);
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                usleep(100);
            } else {
                // 没有数据,需要等待
                // 当这个函数调用阻塞的时候,会对互斥锁进行解锁,当不阻塞的,继续向下执行,会重新加锁。
                pthread_cond_wait(&cond, &mutex); 
                pthread_mutex_unlock(&mutex); 
            }
        }
        return  NULL;
    }
    
    int main() {
    
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_cond_init(&cond, NULL);
    
        // 创建5个生产者线程,和5个消费者线程
        pthread_t ptids[5], ctids[5];
    
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
            pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
        }
    
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            pthread_detach(ptids[i]);
            pthread_detach(ctids[i]);
        }
    
        while(1) {
            sleep(10);
        }
    
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        pthread_cond_destroy(&cond);
    
        pthread_exit(NULL);
    
        return 0;
    }
    
3.3.2 信号量/灯
  • 和条件变量类似,信号量的类型 sem_t

    • 灯亮:资源可用(每个产品可以比作一个灯
    • 灯灭:资源不可用
    // 初始化信号量
    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
    // 释放资源
    int sem_destroy(sem_t *sem);
    
    // 对信号量加锁,调用一次对信号量的值-1,如果值为0,就阻塞。(不是立马阻塞)
    int sem_wait(sem_t *sem);		
    int sem_trywait(sem_t *sem);  // 尝试阻塞,如果值为0,就阻塞
    int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout); // 如果为0, 阻塞这么长(abs_timeout)时间
    
    // 对信号量解锁,调用一次对信号量的值+1
    int sem_post(sem_t *sem);
    // 获取值
    int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
    
    • int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

      • 初始化信号量
      • 参数
        • sem : 信号量变量的地址
        • pshared : 0 用在 线程 间 ,非0 用在 进程
        • value : 信号量中的值

      查看说明文档man sem_init

      在这里插入图片描述

      /* 伪代码
      
      	sem_t psem; // 生产者的信号量,还可以生产多少个
          sem_t csem; // 消费者的信号量,还可以消费多少个
          init(psem, 0, 8);
          init(csem, 0, 0);
      
          producer() {
              sem_wait(&psem);    // 生产者的信号量 - 1
              sem_post(&csem);    // 消费者的信号量 + 1, 通知消费者
          }
      
          customer() {
              sem_wait(&csem);    // 消费者的信号量 - 1
              sem_post(&psem);    // 生产者信号量 + 1,通知生产者, 可以生产一个了
          }
      
      */
      
      #include <stdio.h>
      #include <pthread.h>
      #include <stdlib.h>
      #include <unistd.h>
      #include <semaphore.h>
      
      // 创建一个互斥量
      pthread_mutex_t mutex;
      // 创建两个信号量
      sem_t psem;     // 生产者的
      sem_t csem;     // 消费者的
      
      struct Node{
          int num;
          struct Node *next;
      };
      
      // 头结点
      struct Node * head = NULL;
      
      void * producer(void * arg) {
      
          // 不断的创建新的节点,添加到链表中
          while(1) {
              sem_wait(&psem);
              pthread_mutex_lock(&mutex);
              struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
              newNode->next = head;
              head = newNode;
              newNode->num = rand() % 1000;
              printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
              pthread_mutex_unlock(&mutex);
              sem_post(&csem);
          }
      
          return NULL;
      }
      
      void * customer(void * arg) {
      
          while(1) {
              sem_wait(&csem);
              pthread_mutex_lock(&mutex);
              // 保存头结点的指针
              struct Node * tmp = head;
              head = head->next;
              printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
              free(tmp);
              pthread_mutex_unlock(&mutex);
              sem_post(&psem);
             
          }
          return  NULL;
      }
      
      int main() {
      
          pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
          sem_init(&psem, 0, 8);
          sem_init(&csem, 0, 0);
      
          // 创建5个生产者线程,和5个消费者线程
          pthread_t ptids[5], ctids[5];
      
          for(int i = 0; i < 5; i++) {
              pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
              pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
          }
      
          for(int i = 0; i < 5; i++) {
              pthread_detach(ptids[i]);
              pthread_detach(ctids[i]);
          }
      
          while(1) {
              sleep(10);
          }
      
          pthread_mutex_destroy(&mutex);
      
          pthread_exit(NULL);
      
          return 0;
      }
      
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