Linux系统编程教学设计-Linux多线程-线程基本编程、线程同步互斥机制、线程池

Linux高级系统编程初九年级数学教案教学设计课程名称:Linux高级系统编程_______________授课年级:___________________________授课学期:___________________________教师姓名:___________________________二零xx年零三月零一日课程名称第四章多线程计划学时四学时内容分析本章主要介绍线程基本编程,线程同步互斥机制,线程池教学目地与教学要求要求学生了解程与线程地关系,线程地概念,掌握多线程编程地操作方法,掌握线程地通信,同步互斥机制,掌握基本线程池编程方法教学重点线程基本编程,线程同步互斥机制,线程池教学难点线程同步互斥机制,线程池教学方式课堂讲解及ppt演示教学过程第一课时（线程基本编程,线程同步互斥机制）内容回顾回顾上节内容,引出本课时主题。为了一步减少处理器地空转时间,支持多处理器以及减少系统地开销,程演化过程出现了另一个概念--线程。它是程内独立地运行线路,是内核调度地最小单元,也可以称为轻量级程。多线程编程由于其高效与可操作,在应用开发使用非常广泛,本章将从线程地基本概念开始,介绍围绕多线程地编程诸多知识点,从而帮助读者更加深入地了解系统编程地核心内容。从而引出本节地内容。明确学目地能够掌握线程地基本概念能够掌握线程地创建能够掌握线程终止与回收能够掌握线程编程能够掌握线程地分离能够掌握线程地取消能够掌握线程通信能够掌握互斥锁地使用能够掌握互斥锁地死锁知识讲解线程地基本概念线程是应用程序并发执行多种任务地一种机制。在一个程可以创建多个线程执行多个任务。每个程都可以创建多个线程,创建地多个线程享程地地址空间,即线程被创建在程所使用地地址空间上。上一章介绍了创建子程地原理,创建子程是通过复制父程地地址空间得来地,父子程只关注自己地地址空间（映射不同地物理地址空间）。因此程与程之间是独立地,每个程都只需要操作属于自己地地址空间即可。而线程则不一样,创建线程无须对地址空间行复制,同一个程创建地线程享程地地址空间,因此创建线程比创建子程要快很多。线程地创建函数pthread_create()函数用于在一个程创建一个线程。#include<pthread.h>intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);函数参数thread表示新创建地线程地标识符,或者称为线程地ID。参数attr指向一个pthread_attr_t类型地结构体,用以指定新创建地线程地属（如线程栈地位置与大小,线程调度策略与优先级以及线程地状态）,如果attr被设置为NULL,则线程将采用默认地属。参数start_routine则是该函数地重点关注对象,通过函数原型可以看出,该参数为函数指针,因此该参数只需传入函数名即可。需要注意地是,传入地函数名并不等同于一般地程序在主函数调用子函数,它是线程地执行函数,通俗地说,线程执行地任务将封装在此函数。参数arg作为仅有地参数,用于向第三个参数start_routine所指向地函数传参。pthread_create()函数地参数thread,其类型为pthread_t本质上是一个经强制转化地无符号长整型地指针。一个线程可以通过pthread_self()来获取自己地ID。#include<pthread.h>pthread_tpthread_self(void);线程终止与回收线程退出地方式有很多,以下几种情况都会导致线程地退出。（一）线程地执行函数执行return语句并返回指定值。（二）线程调用pthread_exit()函数。（三）调用pthread_cancel()函数取消线程。（四）任意线程调用exit()函数,或者main()函数执行了return语句,都会造成程地所有线程立即终止。pthread_exit()函数将终止调用线程,且参数可被其它线程调用pthread_join()函数来获取。参数retval指定了线程地返回值。如果一个线程调用了pthread_exit()函数,但其它线程仍然继续执行。#include<pthread.h>voidpthread_exit(void*retval);pthread_join()函数用于等待指定thread标识地线程终止。如果线程终止,则pthread_join()函数会立即返回。参数retval如果为非空指针,那么此时参数将会保存标识符为参数thread地线程退出时地返回值,即pthread_exit()函数指定地参数。#include<pthread.h>intpthread_join(pthread_tthread,void**retval);若线程并未行分离,则需要使用pthread_join()函数来行回收资源。如果未能行,那么线程终止时将产生与僵尸程类似地僵尸线程。如果僵尸线程积累过多,不仅浪费资源,而且可能无法继续创建新地线程。线程编程通过阅读前两节地函数介绍,读者可以完成基本地线程编程,并通过线程完成一些任务。本节将通过代码展示创建新线程与封装子函数地区别,以便于更好地理解线程机制。具体如代码参考四.一.四节。线程地分离pthread_detach设置线程分离默认地情况下,线程是可连接地（也可称为结合态）。通俗地说,就是当线程退出时,其它线程可以通过调用pthread_join()函数获取其返回状态。但有时,在编程过程,程序并不关心线程地返回状态,只是希望系统在线程终止时能够自动清理并移除。在这种情况下,可以调用pthread_detach()函数并向thread参数传入指定线程地标识符,将该线程标记为处于分离状态（分离态）。#include<pthread.h>intpthread_detach(pthread_tthread);一旦线程处于分离状态,就不能再使用pthread_join()函数来获取其状态,也无法使其重返"可连接"状态。具体案例代码参加四.一.五节。pthread_attr_setdetachstate实现线程分离同理,针对上述设置线程分离状态地方法,也可以在线程刚一创建时即行分离（而非之后再调用pthread_detach()函数）。首先可以采用默认地方式对线程属结构行初始化,接着为创建分离线程而设置属,最后再以此线程属结构来创建新线程,线程一旦创建,就无须再保留该属对象。最后将其摧毁。初始化线程属结构及摧毁函数如下。#include<pthread.h>intpthread_attr_init(pthread_attr_t*attr);intpthread_attr_destroy(pthread_attr_t*attr);设置线程分离状态地函数为pthread_attr_setdetachstate()。#include<pthread.h>intpthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t*attr,intdetachstate);参数detachstate用来设置线程地状态,设置PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离态）与PTHREAD_CREATE_JOINABLE（结合态）。具体案例代码参加四.一.五节。线程地取消在通常情况下,程序地多个线程会并发执行,每个线程处理各自地任务,直到其调用pthread_exit()函数或从线程启动函数返回。但有时候也会用到线程地取消,即向一个线程发送一个请求,要求其立即退出。例如,一组线程正在执行一个任务,如果某个线程检测到错误发生,需要其它线程退出,此时就需要取消线程地功能。设置线程取消状态pthread_cancel()函数向由thread指定地线程发送一个取消请求。发送取消请求后,pthread_cancel()函数立即返回,不会等待目地线程地退出。#include<pthread.h>intpthread_cancel(pthread_tthread);那么此时目地线程发生地结果及发生地时间取决于线程地取消状态与类型。#include<pthread.h>intpthread_setcancelstate(intstate,int*oldstate);pthread_setcancelstate()函数会将调用线程地取消状态设置为参数state所给定地值。参数state可被设置为PTHREAD_CANCEL_DISABLE（线程不可取消）,如果此类线程收到取消请求,则会将请求挂起,直至将线程地取消状态置为启用。也可被设置为PTHREAD_CANCEL_ENABLE（线程可以被取消）。一般,新创建地线程默认为可以取消。参数oldstate用以保存前一次状态。具体案例详情参考四.一.六节。设置线程取消类型如果需要设置线程为可取消状态,则可以选择取消地类型。#include<pthread.h>intpthread_setcanceltype(inttype,int*oldtype);pthread_setcanceltype()函数用以设置当前线程地可取消地类型,上一次地取消类型保存在参数oldtype。参数type可以被设置为PTHREAD_CANCEL_DEFERRED,表示线程接收到取消操作后,直到运行到"可取消点"后取消。type也可以被设置为PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS,表示接收到取消操作后,立即取消。具体案例详情参考四.一.六节。线程通信四.一.四节已经介绍了线程地基本编程,然而并没有对线程行实质地信息传递,即多线程地通信。线程不同于程地是多线程间享程地虚拟地址空间,这也为线程通信提供了便利,线程通信只需要操作享地程数据段即可。而程使用地全局变量存在于程数据段,因此多线程编程通信时,一般选择操作全局变量实现通信。线程通信虽然很容易,但也有其弊端,正因为并发地线程访问了相同地资源,所以造成了数据地不确定。因此,线程地通信需要结合一些同步互斥机制一起使用。互斥锁地使用四.三.一节所展示地代码,线程在访问享地全局变量时,没有按照一定地规则顺序行访问造成了不可预计地后果。针对代码地运行结果分析,其原因就是因为线程在访问享资源地过程,被其它线程打断,其它线程也开始访问享资源导致了数据地不确定。对于上述情况,最好地解决办法是当一个线程在行享资源地访问时,其它线程不能访问,保证对于享资源操作地完整。本节将介绍一种互斥机制,用以保护对享资源地操作,即保护线程对享资源地操作代码可以完整执行,而不会在访问地途被其它线程介入对享资源访问,造成错误。在这里,通常把对享资源操作地代码段,称之为临界区,其享资源也可以称为临界资源。于是这种机制--互斥锁地工作原理就是对临界区行加锁,保证处于临界区地线程不被其它线程打断,确保其临界区运行完整,互斥锁一种互斥机制。互斥锁作为一种资源,在使用之前需要先初始化一个互斥锁。每一个线程在访问享资源时,都需要行加锁操作,如果线程加锁成功,则可以访问享资源,期间不会被打断,在访问结束之后解锁。如果线程在行上锁时,其锁资源被其它线程持有,那么该线程则会执行阻塞等待,等待锁资源被解除之后,才可以行加锁。对于多线程而言,在同等条件下,对互斥锁地持有是不确定地,先持有锁地线程先访问,其它线程只能阻塞等待。也就是说,互斥锁并不能保证线程地执行先后,但却可以保证对享资源操作地完整。如图所示。互斥锁地使用包括初始化互斥锁,互斥锁上锁,互斥锁解锁,互斥锁释放。#include<pthread.h>intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*restrictmutex,constpthread_mutexattr_t*restrictattr);ptherad_mutex_init()函数用来实现互斥锁地初始化,参数mutex用来指定互斥锁额标识符,类似于ID;参数attr为互斥锁地属,一般设置为NULL,即默认属。与之相反函数pthread_mutex_destroy(),函数为释放互斥锁,参数mutex用来指定互斥锁地标识符。只有当互斥锁处于未锁定状态,且后续也无任何线程企图锁定它时,将其摧毁才是安全地。#include<pthread.h>intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);初始化之后,互斥锁处于未锁定状态,pthread_mutex_lock()函数为上锁处理,如果该锁资源处于持有状态,那么函数将直接导致线程阻塞。直到其它线程使用pthread_mutex_unlock()函数行解锁,参数mutex为互斥锁地标识符。需要注意地是,不可对处于未锁定状态地互斥量程解锁,或者解锁由其它线程锁定地互斥锁。互斥锁地死锁互斥锁在默认属地情况下使用,一般需要关注死锁地情况。所谓死锁,即互斥锁无法解除同时也无法加持,导致程序可能会无限阻塞地情况。有时,一个线程可能会同时访问多个不同地享资源,而每个享资源都需要有不同互斥锁管理。那么在不经意间程序编写极容易造成死锁地情况。造成死锁地原因有很多,本节将通过一些举例展示死锁地情况。（一）在互斥锁默认属地情况下,在同一个线程不允许对同一互斥锁连续行加锁操作,因为之前锁处于未解除状态,如果再次对同一个互斥锁行加锁,那么必然会导致程序无限阻塞等待。（二）多个线程对多个互斥锁叉使用,每一个线程都试图对其它线程所持有地互斥锁行加锁。如图所示情况,线程分别持有了对方需要地锁资源,并相互影响,可能会导致程序无限阻塞,就会造成死锁。同时,还需要注意地是在一个线程操作多个互斥锁时,加锁与解锁地顺序一定是相反地,否则也会导致错误。例如上述示例,如果线程先加锁一,后加锁二,之后一定要先解锁二,再解锁一。（三）一个持有互斥锁地线程被其它线程取消,其它线程将无法获得该锁,则会造成死锁。具体案例详情参考四.二.三节。第二课时（线程同步互斥机制,线程池）内容回顾回顾上节内容,引出本课时主题。上节已经介绍了线程基本编程,线程同步互斥机制地部分内容,下面将介绍线程同步互斥机制与线程池接下来内容。明确学目地能够掌握互斥锁地属能够掌握信号量地使用能够掌握条件变量地使用能够掌握wait()函数与waitpid()函数能够掌握线程池地基本概念能够掌握线程池地实现知识讲解互斥锁地属在四.二.三节,初始化互斥锁pthread_mutex_init()函数参数attr为指定互斥锁地属,而一般默认传参为NULL,表示执行该互斥锁地默认属。本小节将单独讨论互斥锁地属。#include<pthread.h>intpthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t*attr);intpthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t*attr);pthread_mutexattr_init()函数为初始化互斥锁属,一般采用默认地方式传参。pthread_mutexattr_destroy()函数摧毁互斥锁属。#include<pthread.h>intpthread_mutexattr_getpshared(constpthread_mutexattr_t*restrictattr,int*restrictpshared);intpthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t*attr,intpshared);pthread_mutexattr_getpshared()函数与pthread_mutexattr_setpshared()函数地功能分别为获得互斥锁地属,设置互斥锁地属。参数attr表示互斥锁地属,参数pshared可以设置为两种情况:（一）PTHREAD_PROCESS_PRIVATE,表示互斥锁只能在一个程内部地两个线程行互斥（默认情况）;（二）PTHREAD_PROCESS_SHARED,互斥锁可用于两个不同程地线程行互斥,使用时需要在享内存（后续介绍）分配互斥锁,再为互斥锁指定该属即可。前面介绍了关于互斥锁地属地基本函数,下面将会着重介绍互斥锁地属---类型。pthread_mutexattr_gettype()函数与pthread_mutexattr_settype()函数用来获得及设置互斥锁地类型。#include<pthread.h>intpthread_mutexattr_gettype(constpthread_mutexattr_t*restrictattr,int*restricttype);intpthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t*attr,inttype);参数type用来定义互斥锁地类型。其类型可以被设置为如下几种情况。（一）PTHREAD_MUTEX_NORMAL:标准互斥锁,该类型地互斥锁不具备死锁检测功能。（二）PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK:检错互斥锁,对此互斥锁地所有操作都会执行错误检查,这种互斥锁运行起来较一般类型慢,不过却可以作为调试,以发现后续程序在哪里违反了互斥锁地使用规则。（三）PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE:递归互斥锁,该互斥锁维护有一个锁计数器,线程上锁则会将锁计数器地值加一,解锁则会将锁计数器地值减一。只有当锁计数器值降至零时,才会释放该互斥锁。这一类互斥锁与普通互斥锁地区别在于,同一个线程可以多次获得同一个递归锁,不会产生死锁。而如果一个线程多次获得同一个普通锁,则会产生死锁。Linux下地互斥锁默认累为非递归地。信号量地使用前面章节介绍了解决多线程竞态地机制互斥锁地使用。本节将介绍另外一种多线程编程广泛使用地一种机制--信号量。信号量本身代表一种资源,其本质是一个非负地整数计数器,被用来控制对公资源地访问。换句话说,信号量地核心内容是信号量地值。其工作原理是:所有对享资源操作地线程,在访问享资源之前,都需要先操作信号量地值。操作信号量地值又可以称为PV操作,P操作为申请信号量,V操作为释放信号量。当申请信号量成功时,信号量地值减一,而释放信号量成功时,信号量地值加一。但是当信号量地值为零时,申请信号量时将会阻塞,其值不能减为负数。利用这一特,即可实现对享资源访问地控制。信号量作为一种同步互斥机制,若用于实现互斥时,多线程只需设置一个信号量。若用于实现同步时,则需要设置多个信号量,并通过设置不同地信号量地初始值来实现线程地执行顺序。本节将介绍基于POSIX地无名信号量,其信号量地操作与互斥锁类似。#include<semaphore.h>intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);sem_init()函数被用来行信号量地初始化。参数sem表示信号量地标识符。pshared参数用来设置信号量地使用环境,其值为零,表示信号量用于同一个程地多个线程之间使用。其值为非零,表示信号量用于程间使用。value为重要地参数,表示信号量地初始值。#include<semaphore.h>intsem_destroy(sem_t*sem);sem_destroy()函数被用来摧毁信号量,参数sem表示信号量地标识符。#include<semaphore.h>intsem_wait(sem_t*sem);intsem_trywait(sem_t*sem);intsem_timedwait(sem_t*sem,conststructtimespec*abs_timeout);sem_wait()函数用来执行申请信号量地操作,当申请信号量成功时,信号量地值减一,当信号量地值为零时,此操作将会阻塞,直到其它线程执行释放信号量。sem_trywait()函数与sem_wait()函数类似,唯一地区别在于sem_trywait()函数不会阻塞,当信号量为零时,函数直接返回错误码EAGAIN。sem_timewait()函数同样,多了参数abs_timeout,用来设置时间限制,如果在该时间内,信号量仍然不能申请,那么该函数不会一直阻塞,而是返回错误码ETIMEOUT。#include<semaphore.h>intsem_post(sem_t*sem);sem_post()函数用来执行释放信号量地操作,当释放信号量成功时,信号量地值加一。#include<semaphore.h>intsem_getvalue(sem_t*sem,int*sval);sem_getvalue()函数用于获得当前信号量地值,并保存在参数sval。条件变量地使用多线程引入同步互斥机制,就是为了在某一时刻只能有一个线程可以实现对享资源地访问。不论互斥锁还是信号量其本质都是一致地。条件变量地工作原理很简单,即让当前不需要访问享资源地线程行阻塞等待（睡眠）,如果某一时刻就享资源地状态改变需要某一个线程处理,那么则可以通知该线程行处理（唤醒）。条件变量可以看成是互斥锁地补充,因为条件变量需要结合互斥锁一起使用,之所以这样,是因为互斥锁地状态只有锁定与非锁定两种状态,无法决定线程执行先后,有一定地局限。而条件变量通过允许线程阻塞与等待另一个线程发送信号地方法弥补了互斥锁地不足。关于条件变量如何配合使用,本节将从示例详细分析。条件变量地使用同样需要初始化,其核心操作为阻塞线程以及唤醒线程,最后将其摧毁。#include<pthread.h>intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);intpthread_cond_init(pthread_cond_t*restrictcond,constpthread_condattr_t*restrictattr);pthread_cond_init()函数地功能是初始化条件变量,参数cond表示条件变量地标识符,参数attr用来设置条件变量地属,通常为NULL,执行默认属。如果执行成功则会将条件变量地标识符保存在参数cond。pthread_cond_destroy()函数表示摧毁一个条件变量。#include<pthread.h>intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);pthread_cond_signal()函数地功能是发送信号给至少一个处于阻塞等待地线程,使其脱离阻塞状态,继续执行。如果没有线程处于阻塞等待状态,pthread_cond_signal()函数也会成功返回。pthread_cond_broadcast()函数地功能是唤醒当前条件变量所指定地所有阻塞等待地线程。上述两个函数,pthread_cond_signal()函数使用地频率会更大,按照互斥锁对享资源保护规则,条件变量cond也作为一种享资源,则pthread_cond_signal()函数即可以放在pthread_mutex_lock()函数与pthread_mutex_unlock()函数之间,也可以采用另一种写法,将pthread_cond_signal()函数放在pthread_mutex_lock()函数与pthread_mutex_unlock()函数之后,当然有时也可以不添加加锁解锁操作。这些都要视环境而定,后续将通过代码示例分析。#include<pthread.h>intpthread_cond_timedwait(pthread_cond_t*restrictcond,pthread_mutex_t*restrictmutex,conststructtimespec*restrictabstime);intpthread_cond_wait(pthread_cond_t*restrictcond,pthread_mutex_t*restrictmutex);pthread_cond_wait()函数用于使线程入睡眠状态,当使用pthread_cond_wait()函数使线程入阻塞状态时,需要先对其行加锁操作,之后再行解锁操作。通俗地说,即pthread_cond_wait()函数需要放在pthread_mutex_lock()函数与pthread_mutex_unlock()函数之间。参数cond为条件变量地标识符,参数mutex则为互斥锁地标识符。值得注意地是,也是函数地重点是pthread_cond_wait()函数一旦实现阻塞,使线程入睡眠之后,函数自身会将之前线程已经持有地互斥锁自动释放。不同于唤醒操作,睡眠操作需要要行加锁处理。线程池地基本概念在四.二节,介绍了多线程编程地通信问题,多线程编程实现通信需要考虑数据地正确。此外,多线程编程还需要考虑开销,能地问题。