Linux Pthread 深入解析

Outline- 1.线程特点- 2.pthread创建- 3.pthread终止- 4.mutex互斥量使用框架- 5.cond条件变量- 6.综合实例=================================================================================== =============1. 线程特点线程拥有自己独立的栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字（创建时继承）、errno 变量以及线程私有数据。

进程的其他地址空间均被所有线程所共享，因此线程可以访问程序的全局变量和堆中分配的数据，并通过同步机制保证对数据访问的一致性。

2. pthread创建pthread有一个线程ID，类型为pthread_t，在使用printf打印时，应转换为u 类型。

pthread_equal可用于比较两个id是否相等；pthread_self用于获取当前线程的ID。

pthread_create用于创建新的线程，可以给线程传入一个void *类型的参数，例如一个结构体指针或者一个数值。

系统并不能保证哪个线程会现运行：新创建的线程还是调用线程。

3. pthread终止a) 从线程函数中返回b) 被同一进程中的其他线程取消c) 线程调用pthread_exit注意，线程的返回值需要转换为void *类型。

pthread_exit(void *ret)pthread_join(pthread_t id, void **ret)ret均可设置为NULL4. mutex 互斥量使用框架pthread_mutex_t lock;pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（仅可用在静态变量）pthread_mutex_lock / pthread_mutex_unlock / pthread_mutex_trylock pthread_mutex_destroy5. cond 条件变量pthread_cond_t qready;pthread_mutex_t qlock;pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZERpthread_cond_init 或者 PTHREAD_COND_INITIALIZERpthread_mutex_lock(&qlock...)pthread_cond_wait(&qready, &qlock...) / pthread_cond_timewait pthread_mutex_unlock(&qlock)pthread_cond_destroy//唤醒条件变量pthread_cond_signalpthread_cond_broadcast条件变量是pthread中比较难以理解的一点，主要会产生以下疑惑：Q1. 假如在调用pthread_{cond_wait | cond_timedwait}之前就调用pthread_cond_{signal | broadcast}会发生什么？Q2. pthread_cond_{cond_wait | cond_timewait}为什么需要一个已经锁住的mutex作为变量？Q3. pthread_cond_{signal | broadcast}使用之前必须获取wait中对应的mutex吗？Q4. 假如pthread_cond_{signal | broadcast}必须获取mutex，那么下列两种形式，哪种正确？为什么？1)lock(lock_for_X);change(X);unlock(lock_for_X);pthread_cond_{signal | broadcast};2)lock(lock_for_X);change(X);pthread_cond_{signal | broadcast};unlock(lock_for_X);----思考-------思考-------思考-------思考------思考-------思考------思考------思考-------思考-------A1: 什么都不会发生，也不会出错，仅仅造成这次发送的signal丢失。

A2: 一般场景如下，我们需要检查某个条件是否满足（如队列X是否为空、布尔Y是否为真），假如没有条件变量，我们唯一的选择是1.while(1){2.lock(lock_for_X);3.4.if(X isnotempty){5.unlock(lock_for_X);6.break;7.}else{//X isempty,loop continues8.unlock(lock_for_X);9.sleep(10);10. }11.}12.//X isnotempty,loop ends13.process(X);明显这种轮询的方式非常耗费CPU时间，这时候我们很容易的想到，如果有一种机制，可以异步通知我们队列的状态发生了变化，那么我们便无须再轮询，只要等到通知到来时再检查条件是否满足即可，其他时间则将程序休眠，因此现在代码变成这样：1.while(1){2.lock(lock_for_X);3.if(X isnotempty){4.unlock(lock_for_X);5.break;6.}else{7.unlock(lock_for_X);//mustcalled before my_wait(), otherwiseno one can acquire the lock and makechange to X8.-------------------------------------->窗口，由于已经解锁，其他程序可能改变X，并且试图唤醒mywait，但在一个繁忙的系统中，可能此时my_还没被调用！9.my_wait();//go to sleep andwait for the notification10. }11.}my_wait是一个假想的函数，作用如注释所示。

不难发现，这样做以后，我们无须再轮询了，只需要等待my_wait()被唤醒以后检查条件是否满足。

但是请注意，正如图中所示，存在1个时间窗口。

若其他程序在这个窗口中试图唤醒my_wait，由于此时my_wait还没有被调用，那么这个信号将丢失，造成my_wait一直阻塞。

解决的办法就是，要将unlock和my_wait合并成一个原子操作，这样就不会被其他程序插入执行。

我想到这里，你应该已经明白了，这个原子操作的函数就是pthread_cond_{signal | broadcast}.A3: 是的。

详见：/questions/4544234/calling-pthread-cond-signa l-without-locking-mutexA4: 对于1)，在不同的操作系统中，可能会造成不确定的调度结果（可能会造成调度优先级反转）；对于2）可以保证无论在何种操作系统中都将获得预期的调度顺序。

设想一个场景：有两个消费者线程A和B，我们设定A的优先级比B高，A正在等待条件变量被出发，即已经调用了pthread_wait，并且处于阻塞状态：1.lock(lock_for_X);2.while(X isempty){3.pthread_cond_wait(&qready,&lock_for_X);4.}5.unlock(lock_for_X);B中没有调用pthread_wait，而是做类似如下的处理：1.while(1){2.lock(lock_for_X);3.dequeue(X);4.unlock(lock_for_X);5.}另一个线程C，为生产者，采用1)方案，则代码如下，先unlock，再发出signal：lock(lock_for_X);change(X);unlock(lock_for_X);pthread_cond_{signal | broadcast};当发出unlock以后，发送signal之前，此时消费者B已经满足了运行条件，而消费者A虽然优先级比B高，但是由于其运行条件还需要signal，所以不具备立刻运行的条件，此时就看操作系统如何实现调度算法了。

有些操作系统，可能会因为A不具备立刻运行条件，即使它的优先级比B高，此时还是让B线程先运行，那么，后续将分成两种情况：(a) B获得了lock，但是还没有将X队列中的刚刚加入的条目移除，此时C调用了signal，A接收到了signal，由于A的优先级高，那么A抢占B，A从函数pthread_cond_wait返回之前需要再次将lock上锁，但是A抢占后发现，lock 被人锁住了（还没有被B释放），只好再次休眠，等待锁被释放，结果B又被唤醒，也可能因此造成A和B的死锁，这个具体要看操作系统的调度算法。

(b) B获得了lock，并且执行了dequeue，然后释放了锁。

此时C调用了signal，A接收到了signal，由于A的优先级高，那么A抢占B，A这次顺利的获取了锁得以从pthread_cond_wait中返回，但是在检查条件时，却发现队列是空的，于是乎再次进入pthread_cond_wait休眠。

结果A又无法被执行，A可能由此进入饥饿状态。

但是如果C采用2)方案：lock(lock_for_X);change(X);pthread_cond_{signal | broadcast};unlock(lock_for_X);在unlock以后，A、B都具备了立即运行的条件，由于A比B的优先级高，因此操作系统必定会先调度A执行，就避免了前面一种不确定的调度结果。

主要参考：/group/comp.programming.threads/msg/a3721a2fc 9b21c64?hl=ky6. 综合实例/*2. * =============================================================================== ======3. *4. * Filename: pthread.c5. *6. * Description:7. *8. * Version: 1.09. * Created: 08/17/11 11:06:3510. * Revision: none11. * Compiler: gcc12. *13. * Author: YOUR NAME (),14. * Company:15. *16. * =============================================================================== ======17. */18. #include <stdio.h>19. #include <pthread.h>20. #include <error.h>21. #include <stdlib.h>22. #include <unistd.h>23. #include <string.h>24.25. pthread_cond_t qready;26. pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;27.28. struct foo {29. int cnt;30. pthread_mutex_t f_lock;31. };32.33. void cleanup(void *arg)34. {35. printf("clean up: %s\n", (char *)arg);36. }37.38. void printids(char *str)39. {40. printf("%s pid = %u tid = %u / 0x%x\n",41. str, (unsigned int)getpid(), (unsigned int)pthread_self(), (unsigned int)pthread_self());42. }43.44. void *thread1(void *arg)45. {46. pthread_mutex_lock(&qlock);47. pthread_cond_wait(&qready, &qlock);48. pthread_mutex_unlock(&qlock);49.50. printids("thread1:");51.52. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 first cleanup handler");53. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 second cleanup handler");54. printf("thread 1 push complete!\n");55.56. pthread_mutex_lock(&((struct foo *)arg)->f_lock);57. ((struct foo *)arg)->cnt ;58. printf("thread1: cnt = %d\n", ((struct foo *)arg)->cnt);59. pthread_mutex_unlock(&((struct foo *)arg)->f_lock);60.61. if (arg)62. return ((void *)0);63.64. pthread_cleanup_pop(0);65. pthread_cleanup_pop(0);66.67. pthread_exit((void *)1);68. }69.70. void *thread2(void *arg)71. {72. int exit_code = -1;73. printids("thread2:");74.75. printf("Now unlock thread1\n");76.77. pthread_mutex_lock(&qlock);78. pthread_mutex_unlock(&qlock);79. pthread_cond_signal(&qready);80.81. printf("Thread1 unlocked\n");82.83. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 first cleanup handler");84. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 second cleanup handler");85. printf("thread 2 push complete!\n");86.87. if (arg)88. pthread_exit((void *)exit_code);89.90. pthread_cleanup_pop(0);91. pthread_cleanup_pop(0);92.93. pthread_exit((void *)exit_code);94. }95.96. int main(int argc, char *argv[])97. {98. int ret;99. pthread_t tid1, tid2;100. void *retval;101. struct foo *fp;102.103. ret = pthread_cond_init(&qready, NULL);104. if (ret != 0) {105. printf("pthread_cond_init error: %s\n", strerror(ret)); 106. return -1;107. }108.109.110.111. if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) == NULL) {112. printf("malloc failed!\n");113. return -1;114. }115.116. if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != 0) { 117. free(fp);118. printf("init mutex failed!\n");119. }120.121. pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);122.123. ret = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, (void *)fp); 124. if (ret != 0) {125. printf("main thread error: %s\n", strerror(ret)); 126. return -1;127. }128. ret = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, (void *)1); 129. if (ret != 0) {130. printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));131. return -1;132. }133.134.135. ret = pthread_join(tid2, &retval);136. if (ret != 0) {137. printf("pthread join falied!\n");138. return -1;139. }140. else141. printf("thread2 exit code %d\n", (int)retval);142.143. fp->cnt = 1;144. printf("main thread: cnt = %d\n",fp->cnt);145.146. pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);147.148. sleep(1); //there is no guarantee the main thread will run before the newly created thread, so we wait for a while149. printids("main thread:");150.151. printf("Press to exit\n");152.153. ret = pthread_cond_destroy(&qready);154. if (ret != 0) {155. printf("pthread_cond_destroy error: %s\n", strerror(ret)); 156. return -1;157. }159. getchar();160. return 0;161. }。