【从零开始的嵌入式生活】并发程序设计2——线程专题

2022-04-20 228

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简介： 【从零开始的嵌入式生活】并发程序设计2——线程专题

文章目录

线程基础

进程特点

线程

线程特点

线程共享资源

线程私有资源

Linux线程库

线程库功能

线程创建 – pthread_create

线程回收 – pthread_join

线程结束 – pthread_exit

其他函数

线程间通信

同步

信号量

Posix 信号量

信号量初始化 – sem_init

信号量 – P / V 操作

线程通信——互斥

互斥锁初始化 – pthread_mutex_init

申请锁 – pthread_mutex_lock

释放锁 – pthread_mutex_unlock

写在最后

线程基础

QQ的多个功能：

接收输入

通讯

显示界面

为了实现多个功能可以使用线程。

进程特点

进程有独立的地址空间(不能互相访问)

Linux为每个进程创建task_struct

每个进程都参与内核调度，互不影响

线程

进程在切换时系统开销大，很多操作系统引入了轻量级进程LWP

同一进程中的线程共享相同地址空间

Linux不区分进程、线程

线程特点

通常线程指的是共享相同地址空间的多个任务

使用多线程的好处：

大大提高了任务切换的效率

避免了额外的TLB & cache的刷新(进程上下文)

线程共享资源

可执行的指令

静态数据（全局变量）

进程中打开的文件描述符

当前工作目录

用户ID

用户组ID

线程私有资源

线程ID (TID)

PC(程序计数器)和相关寄存器

堆栈

错误号 (errno)

优先级

执行状态和属性

Linux线程库

线程库功能

pthread线程库中提供了如下基本操作

创建线程

回收线程

结束线程

同步和互斥机制

信号量

互斥锁

线程创建 – pthread_create

#include  <pthread.h>
int  pthread_create(pthread_t *thread, const
      pthread_attr_t *attr, void *(*routine)(void *), void *arg);

成功返回0，失败时返回错误码

thread 线程对象

attr 线程属性，NULL代表默认属性

routine 线程执行的函数

arg 传递给routine的参数，参数是void * ，注意传递参数格式，

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
void * function1(void *arg){
       printf("this is thread function\n");
}
int main(){
       pthread_t tid;
       int err;
       err = pthread_create(&tid, NULL, function1, NULL);
       sleep(1);
       if(err != 0){
               printf("create thread:%s\n",strerror(err));
       }
       return 0;
}

注意：编译的时候需要加入-lpthread链接线程库！在线程中exit就会全部结束！

线程回收 – pthread_join

#include  <pthread.h>
int  pthread_join(pthread_t thread, void **retval);//*tid 和线程的返回值

成功返回0，失败时返回错误码

thread 要回收的线程对象

调用线程阻塞直到thread结束

*retval 接收线程thread的返回值

线程结束 – pthread_exit

结束当前线程

retval可被其他线程通过pthread_join获取

线程私有资源被释放

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
void * function1(void *arg){
       printf("this is thread function\n");
       sleep(1);
       pthread_exit("funct exit");
}
int main(){
       pthread_t tid;
       int err, i;
       err = pthread_create(&tid, NULL, function1, NULL);
       void *retval;
       pthread_join(tid, &retval);
       printf("retval = %s",(char *)retval);
       return 0;
}

其他函数

这部分就自己看man手册尝试用用吧

Pthread_join

Pthread_cancel

pthread_testcancel

pthread_setcancelstate

pthread_setcanceltype

Pthead_detach

pthread_attri_init

取消一个线程

int pthread_cancel(pthread_t thread);

void pthread_testcancel(void);

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);

PTHREAD_CANCEL_ENABLE

PTHREAD_CANCEL_DISABLE

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);

PTHREAD_CANCEL_DEFERRED

PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS

线程间通信

线程共享同一进程的地址空间

优点：线程间通信很容易通过全局变量交换数据

缺点：多个线程访问共享数据时需要同步或互斥机制

同步

同步(synchronization)指的是多个任务按照约定的先后次序相互配合完成一件事情

1968年，Edsgar Dijkstra基于信号量的概念提出了一种同步机制

由信号量来决定线程是继续运行还是阻塞等待

信号量

信号量代表某一类资源，其值表示系统中该资源的数量

信号量是一个受保护的变量，只能通过三种操作来访问

初始化

Ｐ操作(申请资源)

Ｖ操作(释放资源)

Posix 信号量

posix中定义了两类信号量：

无名信号量(基于内存的信号量)

有名信号量

信号量初始化 – sem_init

#include  <semaphore.h>
int  sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);

成功时返回0，失败时EOF

sem 指向要初始化的信号量对象

pshared 0 – 线程间 1 – 进程间

val 信号量初值

信号量 – P / V 操作

#include  <semaphore.h>
int  sem_wait(sem_t  *sem);       P操作
int  sem_post(sem_t  *sem);       V操作

成功时返回0，失败时返回EOF

sem 指向要操作的信号量对象

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
char buf[100];
sem_t sem;
void *write(void *arg){
        while(1){
                fgets(buf, 20, stdin);
                sem_post(&sem);
        }
}
void *read(void *arg){
        while(1){
                sem_wait(&sem);
                printf("%s\n", buf);
                memset(buf, 0, sizeof(buf));
        }
}
int main(){
        pthread_t tid1, tid2;
        int re;
        sem_init(&sem, 0 , 0);
        re = pthread_create(&tid1, NULL, write, NULL);
        if(re != 0){
                printf("pthread_create: %s\n",strerror(re));
                exit(0);
        }
        re = pthread_create(&tid2, NULL, read, NULL);
        if(re != 0){
                printf("pthread_create: %s\n",strerror(re));
                exit(0);
        }
        while(1){
                sleep(1);
        }
}

线程通信——互斥

临界资源

一次只允许一个任务(进程、线程)访问的共享资源

临界区

访问临界区的代码

互斥机制

mutex互斥锁

任务访问临界资源前申请锁，访问完后释放锁

互斥锁初始化 – pthread_mutex_init

#include  <pthread.h>
int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,
      const pthread_mutexattr_t *  attr);

成功时返回0，失败时返回错误码

mutex 指向要初始化的互斥锁对象

attr 互斥锁属性，NULL表示缺省属性

man 函数出现 No manual entry for pthread_mutex_xxx解决办法

apt-get install manpages-posix-dev

申请锁 – pthread_mutex_lock

#include  <pthread.h>
int  pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

成功时返回0，失败时返回错误码

mutex 指向要初始化的互斥锁对象

如果无法获得锁，任务阻塞

释放锁 – pthread_mutex_unlock

#include  <pthread.h>
int  pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

成功时返回0，失败时返回错误码

mutex 指向要初始化的互斥锁对象

执行完临界区要及时释放锁

示例代码：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
FILE *fp;
pthread_mutex_t mutex;
void *write1(void* arg){
        int a=0;
        a = (int)arg;
        int len,i;
        char *c1 = "Hello world\n";
        char *c2;
        len = strlen(c1);
        int td = pthread_self();
        pthread_detach(pthread_self());
        c2 = c1;
        while(1){
           pthread_mutex_lock(&mutex);
           for(i=0;i<len;i++){
                  fputc(*c1,fp);
                  fflush(fp);
                  c1++;
                  usleep(10000);
           }
           pthread_mutex_unlock(&mutex);
           c1 = c2;
           sleep(1);
        }
}
void *write2(void* arg){
        int a=0;
        a = (int)arg;
        int len,i;
        char *c1 = "How are your\n";
        char *c2;
        c2 = c1;
        len = strlen(c1);
        int td = pthread_self();
        pthread_detach(pthread_self());
        while(1){
           pthread_mutex_lock(&mutex);
           for(i=0;i<len;i++){
                  fputc(*c1,fp);
                  fflush(fp);
                  c1++;
                  usleep(10000);
           }
           pthread_mutex_unlock(&mutex);
           c1 = c2;
           sleep(1);
        }
}
int main(){
        int re,i=0;
        pthread_t tid1,tid2;
        fp = fopen("1.txt","w");
        if(!fp){
                perror("fopen");
                return -1;
        }
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        re = pthread_create(&tid1, NULL,write1, (void *)i);
        pthread_detach(tid1);
        if(re!=0){
                printf("pthread_create:%s\n",strerror(re));
                exit(0);
        }
        re = pthread_create(&tid2, NULL,write2, (void *)i);
        pthread_detach(tid2);
        if(re!=0){
                printf("pthread_create:%s\n",strerror(re));
                exit(0);
        }
        while(1){
                sleep(1);
        }
}

写在最后

今天讲完了线程相关的内容，这部分内容比较枯燥，建议跟着我的示例代码敲一敲，然后之前我也写过相关的内容建议参照着一起看【C语言有什么用？②】制作一个多线程词频统计工具所有文件我都放在了gitee哦，需要自取，我尽量一天一更，大家和我一起变强呀！明天开始进入进程间通信专题！最后三连即可提高学习效率！！！

另外我在更新的就是算法笔记的一些例题笔记，这个系列是用于提高我的算法能力，如果有兴趣对算法领域感兴趣找不到合适的入门文章也可以追更，如果我更新的太慢了请大家点赞收藏，一键三连才能更有更新的动力呀0.0

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同步

信号量

Posix 信号量

信号量初始化 – sem_init

信号量 – P / V 操作

线程通信——互斥

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互斥机制

互斥锁初始化 – pthread_mutex_init

申请锁 – pthread_mutex_lock

释放锁 – pthread_mutex_unlock

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