從 0 開始學習 Linux 系列之「25.Posix 線程」

多線程

版權(quán)聲明：本文為 cdeveloper 原創(chuàng)文章，可以隨意轉(zhuǎn)載，但必須在明確位置注明出處！

多線程概念

多線程技術(shù)是應用開發(fā)中非常重要的技術(shù)之一，幾乎大型的應用軟件都使用這個技術(shù)，這次一起來學習下 Linux 中的多線程開發(fā)基礎(chǔ)（其他的系統(tǒng)中概念也是類似的）。

在 Linux 中，一個簡單的進程可以看成只有一個單線程（主線程），因為只有一個線程，所以進程在某一個時刻只能做一件事。為了能夠使得進程可以在同一時刻做多件事情，可以讓這個進程內(nèi)部產(chǎn)生多個線程來分工同時完成。

例如典型的字處理程序，有一個線程在前臺與用戶進行圖形界面的交互，有一個線程在進行語法和拼寫檢查，還有一個線程在周期性的保存文檔，這 3 個線程共同完成了文檔的編寫和保存功能。想想假如只有一個主線程，那么你先鍵入文檔，然后進行語法和拼寫檢查，最后才保存文檔，這 3 個步驟是串行執(zhí)行的，而使用多線程時這 3 個任務是并行執(zhí)行的，效率提高了很多，也更加安全了，如下圖：

單線程和多線程的區(qū)別

使用多線程技術(shù)有下面幾個優(yōu)點：

  • 簡化任務的代碼：在單獨的線程中執(zhí)行一個任務可以使用簡單的同步編程模式
  • 共享進程資源：多個線程可以訪問相同的進程地址空間
  • 提高進程的吞吐量：使用多線程可以并行運行多個任務
  • 優(yōu)化程序體驗：可以使用多線程分開處理程序的輸入輸出

總體來說使用多線程技術(shù)可以優(yōu)化程序，提升用戶的體驗。了解了基本概念后，接下來看看操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程的模型。

多線程模型

現(xiàn)在的操作系統(tǒng)有 2 種不同的方法來提供線程支持：

  1. 用戶線程：受內(nèi)核支持，無須內(nèi)核管理
  2. 內(nèi)核線程：由內(nèi)核直接支持和管理

這兩種方法之間有一定的聯(lián)系，畢竟用戶線程要受內(nèi)核的支持，有 3 種常見的建立兩者關(guān)系的模型：

  1. 多對一模型：多個用戶線程映射到一個內(nèi)核線程，多個線程不能并行執(zhí)行
  2. 一對一模型：一個用戶線程映射到一個內(nèi)核線程，創(chuàng)建線程的開銷較大
  3. 多對多模型：多個用戶線程可以復用同樣數(shù)量或更小數(shù)量的內(nèi)核線程，沒有前面 2 者的缺點

3 種模型圖如下：

3 種模型圖

實現(xiàn)的模型在不同的操作系統(tǒng)上都差不多，但是不同操作系統(tǒng)上的線程庫的實現(xiàn)卻是不大相同的。

線程庫

操作系統(tǒng)為我們提供創(chuàng)建和管理線程的 API，線程操作也有 2 種實現(xiàn)方法：

  1. 內(nèi)核支持的用戶線程庫：此庫的代碼和數(shù)據(jù)都存在用戶空間中，API 不會進行系統(tǒng)調(diào)用
  2. 原始的內(nèi)核級別的庫：此庫的代碼和數(shù)據(jù)都存在內(nèi)核空間，API 會進行系統(tǒng)調(diào)用

有 3 種主要的線程庫：

  1. Posix Pthread：POSIX 標準的拓展，可以提供用戶級和內(nèi)核級的庫，但僅僅是線程行為規(guī)范，而不是實現(xiàn)，Linux，Solaris 等 OS 都實現(xiàn)了這個規(guī)范
  2. Win 32：適用于 Windows OS 的內(nèi)核級線程庫
  3. Java 線程：由于 JVM 運行在宿主 OS 上，所以 Java 線程 API 通常采用宿主 OS 上的線程庫的實現(xiàn)

因為本次介紹的是 Linux 下的多線程技術(shù)，所以這里學習的就是 Posix Pthread 的規(guī)范定義的 API 了，下面來看看都有哪些常用的函數(shù)。

比較，獲取線程 ID

就像每個進程有一個進程 ID 一樣，每個線程也有一個線程 ID，線程 ID 只有在它所屬的進程上下文中才有意義。在 Posix Pthread 中用 pthread_t 類型來表示一個線程 ID，該類型在 Linux 下是一個無符號長整型，并提供了 2 個相關(guān)的操作：

#include <pthread.h>

// 比較 2 個線程 ID
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

// 獲取自身線程 ID
pthread_t pthread_self(void);

這兩個函數(shù)比較簡單，就不介紹例子了，返回值等信息可以參考 man pthread_equal 和 man pthread_self 手冊。

創(chuàng)建線程

Posix 線程定義下面的函數(shù)來創(chuàng)建新的線程：

#include <pthread.h>

/*
 * thread: 指向線程 ID
 * attr: 定制線程屬性，傳遞 NULL 設置默認屬性
 * start_routine: 要運行的線程函數(shù)
 * arg: 要傳遞的函數(shù)參數(shù)
 * return: 成功返回 0，失敗返回錯誤碼，但不會設置 erron
 */
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);

來看一個簡單的創(chuàng)建線程的例子，這個例子創(chuàng)建一個子線程并打印子線程的進程 ID 和線程 ID：

// thread_create.c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

/* print pid and tid. */
void print_id(const char *s) {
    printf("%s pid %lu, tid 0x%lx\n", s, 
            (unsigned long)getpid(), 
            (unsigned long)pthread_self());
}

/* thread fun */
void *thread_fun(void *arg) {
    print_id("new  thread: ");
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t tid;
    
    // create pthread
    if (pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, NULL) != 0) {
        printf("thread create failed.\n");
        return -1;
    }
    
    print_id("main thread: ");
    // 等待子線程執(zhí)行完，后面會用 pthread_join 代替
    sleep(1);
    return 0;
}

編譯需要鏈接 -lpthread 線程庫，運行結(jié)果如下：

orange@ubuntu:~/$ gcc -Wall thread_create.c -lpthread -o thread_create
orange@ubuntu:~/$ ./thread_create
new  thread:  pid 21301, tid 0x7f05c2ee3700
main thread:  pid 21301, tid 0x7f05c36bf700

從結(jié)果可看出兩個線程的進程 pid 是相同的，因為 2 者都所屬同一個進程，但是線程 tid 就不同了。另外，大家以后在用 gcc 編譯的時候盡量都加上 -Wall 來開啟所有的警告，可以幫助我們編寫更加嚴謹?shù)拇a。

線程終止，等待

單個線程可以通過 3 種方式退出，并且不會終止整個進程：

  1. 線程直接返回
  2. 線程被其他線程取消
  3. 線程調(diào)用 pthread_exit

這里主要介紹第 3 種方法，先來看看這個函數(shù)的定義：

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *retval);

其中 retval 返回的值可以通過調(diào)用 pthread_join 函數(shù)訪問：

#include <pthread.h>

/*
 * thread: 要等待的線程 ID
 * retval: 線程的退出狀態(tài)
 * return: 成功返回 0，失敗返回錯誤編號
 */
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

調(diào)用線程將一直阻塞，直到線程 ID 為 thread 的線程調(diào)用 pthread_exit，被取消或從啟動例程中返回。并且，進程中的其他線程可以通過調(diào)用 pthread_join 函數(shù)獲得該線程的退出狀態(tài)。其中 retval 有 2 種情況：

  1. 如果不為 NULL，則拷貝線程的退出狀態(tài)碼到 retval
  2. 如果目標線程被取消，PTHREAD_CANCELED 被放到 retval 中

下面結(jié)合上面這兩個函數(shù)來看一個例子：主線程開啟 2 個子線程，然后分別使用 return 返回和 pthread_exit 退出，最后在主線程中獲取線程的返回碼。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *thread_fun1(void *arg) {
    printf("thread 1 return.\n");
    return ((void *)1);
}

void *thread_fun2(void *arg) {
    printf("thread 2 exit.\n");
    pthread_exit((void *)2);
}

int main(void) {
    pthread_t tid1, tid2;
    void *ret_val = NULL;
    // create thread 1 and 2
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun2, NULL);
    // wait thread 1
    pthread_join(tid1, &ret_val);
    printf("thread 1 exit code %ld\n", (long)ret_val);
    // wait thread 2
    pthread_join(tid2, &ret_val);
    printf("thread 2 exit code %ld\n", (long)ret_val);

    return 0;
}

編譯，運行可以看到成功獲得了 2 個線程的退出碼：

gcc -Wall thread_join.c -o thread_join -lpthread

./thread_join
thread 1 return.
thread 1 exit code 1
thread 2 exit.
thread 2 exit code 2

線程分離

Posix 也給我們提供了分離線程的函數(shù)，當分離一個線程后，該線程在終止時，線程資源由系統(tǒng)自動釋放，不需要其他線程再次 join 等待它。：

#include <pthread.h>

// thread: 要分離的線程 ID，成功返回 0，失敗返回錯誤碼
int pthread_detach(pthread_t thread);

注意，如果嘗試分離一個已經(jīng)分離的線程會產(chǎn)生未定義的行為。該函數(shù)的使用方法很簡單，只需要一行代碼：

#include <pthread.h>

// 在主線程創(chuàng)建 tid 線程
pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, NULL);
// 從主線程分離 tid 線程
pthread_detach(tid);

線程同步

當多個線程同時訪問共享資源時會產(chǎn)生線程安全的問題，我們需要使用一些技術(shù)來使得這些線程同步訪問共享資源（一個一個訪問，不同時訪問），并且使它們訪問變量的存儲內(nèi)存時不會訪問到無效的值。

線程同步的方法主要有互斥鎖，信號量等，前面在介紹 IPC 的時候使用信號量進行了進程間的通信，其中的信號量操作也是適用與線程的，所以這次主要介紹的同步方法是：互斥鎖 Mutex。

使用互斥鎖進行線程同步的基本思想是：線程在獲取共享資源的訪問前首先需要獲得鎖，沒有獲取則阻塞或返回，訪問結(jié)束后必須釋放鎖，偽代碼如下：

mutex_lock();
operate share resource
mutex_unlock();

Posix 線程給我們提供下面這些函數(shù)來操作互斥鎖。

初始化和銷毀 Mutex

#include <pthread.h>

// 動態(tài)初始化
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

// 靜態(tài)初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 銷毀
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

靜態(tài)初始化比較簡單，動態(tài)初始化需要和銷毀 Mutex 的函數(shù)成對使用。

加鎖，解鎖 Mutex

#include <pthread.h>

// 加鎖，如果不能獲取鎖會阻塞調(diào)用進程
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

// 嘗試加鎖，不能獲取鎖就返回，不會阻塞
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

// 解鎖
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

例子：使用 Mutex 來保護共享資源

雖然 Mutex 的函數(shù)比較多，但是使用起來是很簡單的，只需要 4 步：初始化，加鎖，解鎖，銷毀（靜態(tài)初始化不需要），來看一個簡單的程序：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 靜態(tài)初始化不需要 main 中的 1，2 兩步
//pthread_mutex_t mymutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_t mymutex;

void* thread_fun(void* arg) {
    // lock
    pthread_mutex_lock(&mymutex);
    for(int i = 0; i < 5; i++)  
        printf("thread num = %d\n", (int)arg);
    // unlock
    pthread_mutex_unlock(&mymutex);
    return NULL;
}

int main() {
    // 1. 動態(tài)初始化
    pthread_mutex_init(&mymutex, NULL);
    pthread_t mythread[3];
    void* retval = NULL;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&mythread[i], NULL, thread_fun, (void *)i);
        pthread_join(mythread[i], &retval);
    }
    // 2. 銷毀，與動態(tài)初始化成對使用
    pthread_mutex_destroy(&mymutex);
    return 0;
}

編譯，運行：

gcc -Wall lock_thread.c -o lock_thread -lpthread

./lock_thread
thread num = 0
thread num = 0
thread num = 0
thread num = 0
thread num = 0
thread num = 1
thread num = 1
thread num = 1
thread num = 1
thread num = 1
thread num = 2
thread num = 2
thread num = 2
thread num = 2
thread num = 2

這是我的機器的運行結(jié)果，可以將 pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock 注釋掉，即不加鎖查看最后的結(jié)果會不會亂序。

線程池

線程池概念也是經(jīng)常遇到，這里來了解一下它的基本原理，這里沒有給出實現(xiàn)，有興趣可以 Google 相關(guān)的線程池技術(shù)。來看一個 Web 服務的例子，以來了解為何使用線程池會有優(yōu)勢。

假設現(xiàn)在有一個多線程的 Web 服務器，沒有使用線程池前，每接受一個客戶端的連接請求就創(chuàng)建一個獨立線程來處理，但是如果請求較多就會嚴重影響系統(tǒng)性能，主要有 2 個原因：

  1. 創(chuàng)建很多線程需要耗費資源
  2. 一個線程做完任務后就被銷毀，不能重復利用

基于這兩個缺點，提出了線程池的概念：它的主要思想是在進程開始的時候就創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，放到一起（稱為池）等待分配工作：

  • 當服務器收到請求即喚醒一個線程處理任務，在一個線程處理完后會重新回到池中等待下一次的任務，使得線程可以重復使用
  • 如果池中沒有可用線程，則服務器會等待直到有可用線程，使得系統(tǒng)不會再創(chuàng)建新的線程

線程池中的線程數(shù)量可以手動規(guī)定，也可以在系統(tǒng)運行時根據(jù)當前負荷動態(tài)調(diào)整，具有動態(tài)調(diào)整功能的線程池比較高級。

結(jié)語

多線程技術(shù)的應用非常廣泛，這篇文章主要介紹了在 Linux 下的 Posix 的標準的線程庫的使用方法，相關(guān) API 的使用其實不難，關(guān)鍵是要理解多線程的概念及為和要使用它。另外多線程中比較重要的是如何處理線程安全（同步）的問題，常見的處理方法有互斥鎖，信號量等，同步的話題比較復雜有興趣可以深入學習。

最后，感謝你的閱讀，我們下次再見 :)

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