Linux入門之POSIX線程原語(yǔ)

1. POSIX簡(jiǎn)介

POSIX表示可移植操作系統(tǒng)接口（Portable Operating System Interface of UNIX，縮寫為POSIX），POSIX標(biāo)準(zhǔn)定義了操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供的接口標(biāo)準(zhǔn)。
這里介紹的是關(guān)于POSIX線程的內(nèi)容，POSIX線程的API都在pthread.h文件中，如果已經(jīng)安裝了，可以通過(guò)以下命令查看所有API：

man -k pthread

查看某個(gè)API的用法：

man pthread_create

如果沒(méi)有安裝，可以通過(guò)以下命令去安裝POSIX文檔：

sudo apt-get install manpages-posix-dev

2. 創(chuàng)建線程與線程結(jié)束：

新建01.c文件：

  1 #include<stdlib.h>
  2 #include<stdio.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 #include<pthread.h>
  5 
  6 void* thr_fun(void* arg) {
  7     char* no = (char*)arg;
  8     int i = 0;
  9     for(; i < 10; i++) {
 10         printf("thread:%s,i:%d\n", no, i);
 11         if(i == 5) {
 12             //線程結(jié)束（自殺）                                                                                                                                         
 13             pthread_exit((void*)2);
 14         }
 15     }
 16     return (void*)1;
 17 }
 18 
 19 void main() {
 20     printf("man thread\n");
 21     //線程的id
 22     pthread_t tid;
 23     //第二個(gè)參數(shù)表示屬性，NULL表示默認(rèn)屬性
 24     //thr_fun，線程創(chuàng)建之后執(zhí)行的函數(shù)
 25     pthread_create(&tid, NULL, thr_fun, "1");
 26     void* retval;
 27     //等待tid線程結(jié)束
 28     //thr_fun與pthread_exit退出時(shí)的參數(shù)，都作為第二個(gè)參數(shù)的內(nèi)容
 29     pthread_join(tid, &retval);
 30     printf("retval：%d\n", (int)retval);
 31 }

上述線程自殺用pthread_exit()，而線程他殺用pthread_cancel()
將01.c文件編譯成可執(zhí)行文件：

gcc 01.c -o 01 -lpthread

這時(shí)候在該目錄下生成01文件，此時(shí)我們就可以執(zhí)行該文件了：

./01

輸出為：

man thread
thread:1,i:0
thread:1,i:1
thread:1,i:2
thread:1,i:3
thread:1,i:4
thread:1,i:5
retval：2

3. 互斥鎖的使用

新建02.c文件：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 #include<pthread.h>
  5 
  6 int i = 0;
  7 //互斥鎖
  8 pthread_mutex_t mutex;
  9 void* thr_fun(void* arg) {
 10     //加鎖
 11     pthread_mutex_lock(&mutex);
 12     char* no = (char*)arg;
 13     for(; i < 5; i++) {
 14         printf("thread:%s，i:%d\n", no, i);
 15         sleep(1);
 16     }
 17     i = 0;
 18     //解鎖
 19     pthread_mutex_unlock(&mutex);
 20 }
 21 
 22 void main() {
 23     pthread_t tid1, tid2;
 24     //初始化互斥鎖
 25     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 26 
 27     pthread_create(&tid1, NULL, thr_fun, "NO1");
 28     pthread_create(&tid2, NULL, thr_fun, "NO2");
 29 
 30     pthread_join(tid1, NULL);
 31     pthread_join(tid2, NULL);
 32     
 33     //銷毀互斥鎖
 34     pthread_mutex_destroy(&mutex);
 35 }

上面的代碼中：

  1. 我們通過(guò)pthread_mutex_init先初始化互斥鎖，再通過(guò)創(chuàng)建NO1線程和NO2線程，通過(guò)pthread_join去阻塞主線程，直到子線程結(jié)束，最后銷毀互斥鎖
  2. 在某個(gè)線程執(zhí)行的時(shí)候，首先通過(guò)pthread_mutex_lock加鎖，當(dāng)該線程執(zhí)行完了之后，再通過(guò)pthread_mutex_unlock釋放鎖，讓另外的一個(gè)線程去加鎖。
  3. 互斥鎖就是將一個(gè)線程做完，然后另一個(gè)線程再做。

編譯02.c文件：

gcc 02.c -o 02 -lpthread

運(yùn)行02文件：

thread:NO2，i:0
thread:NO2，i:1
thread:NO2，i:2
thread:NO2，i:3
thread:NO2，i:4
thread:NO1，i:0
thread:NO1，i:1
thread:NO1，i:2
thread:NO1，i:3
thread:NO1，i:4

可以發(fā)現(xiàn)，先將線程N(yùn)O2執(zhí)行完了，才會(huì)執(zhí)行線程N(yùn)O1，這就是互斥鎖的作用所在。

我在shell5中查找pthread_create是可以查到用法的，但是我查找pthread_mutex_init中是無(wú)法查找的，也試過(guò)先更新sudo，再使用下面的命令下載也不行：

sudo apt-get install manpages-posix-dev

后來(lái)發(fā)現(xiàn)這是man不完整的原因，利用下列命令去下載完整版：

sudo apt-get update

安裝標(biāo)準(zhǔn)C的幫助文檔

sudo apt-get install libc-dev
sudo apt-get install glibc-doc

下載過(guò)程中遇到y(tǒng)/n，一律輸入y進(jìn)行下載。最后查看pthread_mutex_init就可以了

man pthread_mutex_init

4. 生產(chǎn)者、消費(fèi)者模型

上面我們已經(jīng)了解了互斥鎖的用法了，接下來(lái)我們用互斥鎖和條件變量來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者、消費(fèi)者模型。
其實(shí)視頻解碼的繪制使用就是生產(chǎn)者--消費(fèi)者模型。圖片的下載顯示也是基于這種模型。比如說(shuō)我們生產(chǎn)者生成的產(chǎn)品，放到一個(gè)隊(duì)列里面，當(dāng)生產(chǎn)者生產(chǎn)出產(chǎn)品的時(shí)候就會(huì)發(fā)送信號(hào)通知消費(fèi)者去消費(fèi)，例如RTMP推流的時(shí)候，我們本地采集音視頻的時(shí)候就需要一種隊(duì)列，因?yàn)楸镜氐膲嚎s比網(wǎng)絡(luò)上傳要快。

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 #include<pthread.h>
  5 
  6 //互斥鎖
  7 pthread_mutex_t mutex;
  8 //條件變量
  9 pthread_cond_t has_product;
 10 //隊(duì)列
 11 int ready;
 12 
 13 //生產(chǎn)著
 14 void* thr_producer(void* arg) {
 15     int no = (int)arg;
 16     for(;;) {
 17         //加鎖
 18         pthread_mutex_lock(&mutex);
 19         //往隊(duì)列中添加產(chǎn)品
 20         ready++;
 21         printf("producer %d produce\n", no);
 22         //通知消費(fèi)者，有新的產(chǎn)品可以消費(fèi)了
 23         pthread_cond_signal(&has_product);
 24         //解鎖
 25         pthread_mutex_unlock(&mutex);
 26         sleep(1);
 27       }
 28    }
 29
 30 void* thr_consumer(void* arg) {
 33         pthread_mutex_lock(&mutex);
 34         if(ready == 0) {
 35             //沒(méi)有產(chǎn)品，繼續(xù)等待
 36             pthread_cond_wait(&has_product, &mutex);
 37             printf("consumer %d wait\n", no);
 38         }
 39         //有產(chǎn)品，消費(fèi)產(chǎn)品
 40         ready--;
 41         printf("consumer %d consume\n", no);
 42         sleep(1);
 43         pthread_mutex_unlock(&mutex);
 44     }
 45 }
 46 
 47 void main() {
 48     //初始化互斥鎖和條件變量
 49     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 50     pthread_cond_init(&has_product, NULL);
 51 
 52     pthread_t tid_p, tid_c;
 53     //生產(chǎn)者線程
 54     pthread_create(&tid_p, NULL, thr_producer, 1);
 55     //消費(fèi)者線程
 56     pthread_create(&tid_c, NULL, thr_consumer, 2);
 57     
 58     //等待
 59     pthread_join(tid_p, NULL);
 60     pthread_join(tid_c, NULL);
 61 
 62     //銷毀
 63     pthread_mutex_destroy(&mutex);
 64     pthread_cond_destroy(&has_product);
 65 }

上面的代碼中我們創(chuàng)建了兩個(gè)線程，分別是生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程，生產(chǎn)者線程循環(huán)添加產(chǎn)品，添加完了之后通過(guò)消費(fèi)者去消費(fèi)，消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品就消費(fèi)產(chǎn)品，沒(méi)有產(chǎn)品，就繼續(xù)等待，兩個(gè)線程都是利用互斥鎖保證本身線程的執(zhí)行。

但是這樣單獨(dú)一個(gè)生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程顯然是不夠的，實(shí)際使用中往往是多個(gè)生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程，接下來(lái)我將循環(huán)產(chǎn)生多個(gè)生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 #include<pthread.h>
  5 #define PRODUCER_NUM 1
  6 #define CONSUMER_NUM 2
  7 pthread_t pids[PRODUCER_NUM + CONSUMER_NUM];
  8 //互斥鎖
  9 pthread_mutex_t mutex;
 10 //條件變量
 11 pthread_cond_t has_product;
 12 
 13 //產(chǎn)品隊(duì)列
 14 int ready = 0;
 15 
 16 //生產(chǎn)者
 17 void* thr_producer(void* arg) {
 18     int no = (int)arg;
 19     for(;;) {
 20         //加鎖
 21         pthread_mutex_lock(&mutex);
 22         //往隊(duì)列中添加產(chǎn)品
 23         ready++;
 24         printf("producer %d produce\n", no);
 25         //通知消費(fèi)者，有新的產(chǎn)品可以消費(fèi)了
 26         pthread_cond_signal(&has_product);
 27         //解鎖
 28         pthread_mutex_unlock(&mutex);
 29         sleep(1);
 30     }
 31 }
 32 
 33 //消費(fèi)者
 34 void* thr_consumer(void* arg) {
 35     int no = (int)arg;
 36     for(;;) {
 37         //加鎖
 38         pthread_mutex_lock(&mutex);
 39         while(ready == 0) {
 40             printf("consumer %d wait\n", no);
 41             //沒(méi)有產(chǎn)品，繼續(xù)等待
 42             //1.阻塞 等待has_product被喚醒
 43             //2.釋放互斥鎖，pthread_mutex_unlock
 44             //3.被喚醒時(shí)，解除阻塞，重新申請(qǐng)獲得互斥鎖 pthread_mutex_lock
 45             pthread_cond_wait(&has_product, &mutex);
 46         }
 47         //有產(chǎn)品，消費(fèi)產(chǎn)品
 48         ready--;
 49         printf("consumer %d consume\n", no);
 50         //解鎖
 51         pthread_mutex_unlock(&mutex);
 52         sleep(3);
 53     }
 54 }
 55 
 56 void main() {
 57     //初始化互斥鎖和條件變量
 58     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 59     pthread_cond_init(&has_product, NULL);
 60     int i = 0;
 61     for(; i < PRODUCER_NUM; i++) {
 62         //生產(chǎn)者線程
 63         pthread_create(&pids[i], NULL, thr_producer, (void*)i);
 64     }
 65     
 66     i = 0;
 67     for(; i < CONSUMER_NUM; i++) {
 68         //消費(fèi)者線程
 69         pthread_create(&pids[PRODUCER_NUM + i], NULL, thr_consumer, (void*)i);
 70     }
 71 
 72     i = 0;
 73     for(; i < PRODUCER_NUM + CONSUMER_NUM; i++) {
 74         //等待
 75         pthread_join(pids[i], NULL);
 76     }
 77     
 78     //銷毀互斥鎖和條件變量
 79     pthread_mutex_destroy(&mutex);
 80     pthread_cond_destroy(&has_product);
 81 }

編譯生成可執(zhí)行文件：

gcc 03.c -o 03 -lpthread

執(zhí)行文件：

./03

執(zhí)行后終端截圖如下：

1.png

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