Linux系统编程—

一、线程概念

基础

线程又称LWP：light weight process 轻量级的进程，（在linux环境下）本质仍是进程。进程：独立地址空间，拥有PCB
线程：有独立的PCB，但没有独立的地址空间（共享）区别：在于是否共享地址空间。  独居（进程）；合租（线程）Linux下：线程：最小的执行单位进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程GDB和信号诞生时间比线程早，故配合使用会很麻烦。线程越多的程序理论上越可能争夺到cpu资源，但不是一味的扩展线程数，会有峰值。ps -Lf 进程id //查看线程运行情况 包括线程号（cpu执行的最小单位，不等同于线程id）

linux内核线程实现原理（了解即可）

1.轻量级进程（lwp），也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone。
2.从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存大额三级页表是相同的（详见下面三级映射）。
3.进程可以锐变成线程
4.线程可看做寄存器和栈的集合
5.linux下，线程是最小执行单位，进程是最小分配资源单位三级映射：进程PCB->页目录（可看成数组，首地址位与PCB中）->页表->物理页面->内存单元。PCB中由三级映射出物理地址。 PCB中描述虚拟地址的指针指向一个【页面】（页面中都是指针），这个页面中的指针再指向一个【页表】（页表中也都是指针），页表再对应一个【页目录】（页目录中都是内存单元（对应物理内存））。多进程:每个进程对应不同的PCB，且有不同的页面指针。故不共享数据。多线程：每个线程对应不同的PCB，但有相同的页面指针。故共享数据。

线程共享资源

1.文件描述符表
2.每种信号的处理方式 （线程和信号尽可能不混用）
3.当前工作目录
4.用户ID 和 组ID
5.内存地址空间（.text/.data/.bss/heap/共享库，栈不共享）

线程非共享资源

1.线程ID
2.处理器现场（寄存器相关）和栈指针（内核栈）
3.独立的栈空间（用户空间栈）
4.errno 变量
5.信号屏蔽字
6.调度优先级

线程优、缺点

二、线程控制原语（相关函数）

线程相关函数出错都返回errno，
故利用char * strerror(errno)函数来打印出错误信息。
而不用perror()。

pthread_self

   man 3 pthread_self1)NAMEpthread_self - obtain ID of the calling thread2)SYNOPSIS#include <pthread.h>pthread_t pthread_self(void);Compile and link with -pthread.  //特别注意3)RETURN VALUEThis function always succeeds, returning the calling thread's ID.

pthread_create

man 3 pthread_create1)NAMEpthread_create - create a new thread2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);Compile and link with -pthread. //特别注意3)PARAMETER(1)thread:值结果参数，线程ID。(2)attr：设置线程属性。NULL表示使用默认属性（共两种属性）PTHREAD_CREATE_JOINABLE,可配合pthread_join()使用；另一种属性为PTHREAD_CREATE_DETACHED,不能配合pthread_join()使用，会报错。详见下 7.(3)start_routine：子线程回调函数。若线程创建成功，该函数自动被调用。(4)arg：start_routine指定函数的参数。没有的话传NULL。传参时一定要注意，不要传地址（数据共享原因），要传值进去，否则当回调函数得到数据时会出错。4)RETURN VALUEOn success, pthread_create() returns 0; on error, it returns an error number, and the contents of *thread are undefined.DEMO:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread.c循环创建多个线程DEMO：https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_muti.c

pthread_exit

exit(0); //退出当前进程
return 0;//返回到调用者那里去。//main函数中的return就代表进程结束。
pthread_exit(0); //退出当前线程man 3 pthread_exit1.NAMEpthread_exit - terminate calling thread2.SYNOPSIS#include <pthread.h>void pthread_exit(void *retval);Compile and link with -pthread.3.PARAMETERretval:返回值。类似于exit(0);中的0.4.RETURN VALUEThis function does not return to the caller.DEMO:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_muti.c

pthread_join

man 3 pthread_join1.NAMEpthread_join - join with a terminated thread2.SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);Compile and link with -pthread.
3.PARAMETERthread:线程IDretval：值结果参数，得到pthread_create指定的线程回调函数的结果。为什么是(viod**)的返回类型。因为回调函数是void *，而再回调void* 就是void**.类似的wait回收int型数据为 int ——> int *则有           void* ——> void **注意：当线程被pthread_cancel()后，retval的值是-1，代表线程非正常消亡4.RETURN VALUEOn success, pthread_join() returns 0; on error, it returns an error number.DEMO:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_join.c

pthread_cancel

man 3 pthread_cancel1.NAMEpthread_cancel - send a cancellation request to a thread2.SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_cancel(pthread_t thread);Compile and link with -pthread.3.PARAMETERthread:指定要取消的进程ID4.RETURN VALUEOn success, pthread_cancel() returns 0; on error, it returns a nonzero error number.5.注意只有程序运行到取消点后（取消点函数执行完毕）才会取消，如果线程运行中（指回调函数）没有取消点，那就一直执行，不会取消。当程序中没有取消点时，可自行增加取消点，利用函数pthread_testcancel()。 //man pthread_testcancel取消点（ man pthreads 中可查看）：一些和内核进行交互的函数，如sleep()、close()等等常用的函数.DEMO:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_cancel.c

pthread_detach


man 3 pthread_detach
创建完线程后再指定线程分离，线程执行完自行回收，不能和pthread_join同时使用。1.NAMEpthread_detach - detach a thread2.SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_detach(pthread_t thread);Compile and link with -pthread.3.RETURN VALUEOn success, pthread_detach() returns 0; on error, it returns an error number.Demo:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_detach.c

pthread_create 参数2设置线程属性

简单步骤：pthread_attr_t attr;//创建线程属性结构体pthread_attr_init(&attr);//初始化结构体pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);//设置线程属性结构体为 detach 状态pthread_create(&tid,&attr,tfunc,NULL);//利用线程属性结构体创建线程pthread_attr_destroy(&attr);//在利用完线程属性结构体后销毁该结构体函数详解：（1）pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()man 3 pthread_attr_init1.NAMEpthread_attr_init, pthread_attr_destroy - initialize and destroy thread attributes object2.SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);   //类似malloc()int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); //类似free()Compile and link with -pthread.3.RETURN VALUEOn success, these functions return 0; on error, they return a nonzero error number.(2)pthread_attr_setdetachstate()、pthread_attr_getdetachstate()1.NAMEpthread_attr_setdetachstate, pthread_attr_getdetachstate - set/get detach state attribute in thread attributes object2.SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);Compile and link with -pthread.3.PARAMETER1)attr2)detachstate:PTHREAD_CREATE_DETACHEDThreads that are created using attr will be created in a detached state.PTHREAD_CREATE_JOINABLEThreads that are created using attr will be created in a joinable state.attention:The default setting of the detach state attribute in a newly initialized thread attributes object is PTHREAD_CREATE_JOIN‐ABLE.4.RETURN VALUEOn success, these functions return 0; on error, they return a nonzero error number.DEMO:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_attr_init.c

线程使用相关注意事项

1.主线程退出其他线程不退出，主线程应调用pthread_exit。
2.避免僵尸进程有两种方法：1）pthread_join //线程创建默认属性2）pthread_detach //需指定设置，两种设置方法1.pthread_create()时利用线程属性指定2.pthread_create()后指定。
3.malloc和mmap申请的内存可以被其他线程释放。
4.应避免在多线程中调用fork()，子进程中只有调用fork的线程存在，其他线程在子进程均pthread_exit().
5.应避免在多线程中引入信号机制。理由：每个线程有独立的PCB，故mask（屏蔽字集合）不同，但每个线程对信号的处理是共享的（因为在一个进程下），而由哪个线程来获取信号是靠CPU分配的，而当一个线程处理完之后，其他线程是不受影响的。

三、线程和进程控制原语比较

四、线程同步概念

 官方释义：线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不放回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。我的理解：就是保证不同线程方法调用共享数据时，要保证上一个线程执行完毕后，下一个线程再执行。保证共享数据一致性。同步的目的：避免数据混乱。解决与时间有关的错误。实际上不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。数据混乱原因：1.资源共享2.调度随机3.线程间缺乏必要的同步机制。#下面主要就把讲这个。

五、线程同步——互斥锁（互斥量）

概念

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称为互斥量）。每个线程在对资源操作前都尝试加锁（没拿到锁就一直阻塞等待锁可用），成功加锁才能操作，操作结束后解锁。资源还是共享的，线程间也还是竞争的。但通过“锁”将资源访问变成互斥操作，但注意同一时间只能有一个线程持有该锁。建议锁，没有强制性。所有线程在访问公共数据前先拿锁再访问。但锁本身不具备强制性。

互斥锁实现

使用互斥锁时尽可能访问共享数据前加锁，访问后立即解锁。互斥锁本质是结构体。可以看成整数。初值（pthread_mutex_init()后）为1.
加锁： -- 阻塞线程。
解锁： ++ 唤醒阻塞线程。实现步骤：pthread_mutex_t mylock;//定义互斥锁结构体，应声明为全局变量，放在全局位置pthread_mutex_init(&mylock,NULL);//初始化互斥锁，第二个参数默认NULL即可pthread_mutex_lock(&mylock);//加锁，线程阻塞，等待锁释放pthread_mutex_trylock(&mylock)//加锁，线程不阻塞，立即返回，线程不会阻塞pthread_mutex_unlock(&mylock);//解锁pthread_mutex_destroy(&mylock);//销毁锁1.pthread_mutex_tmutex锁结构体2.pthread_mutex_init()、pthread_mutex_destroy（）man pthread_mutex_init（1）NAMEpthread_mutex_destroy, pthread_mutex_init — destroy and initialize a mutex（2）SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;（3）PARAMETER1.mutex:互斥锁结构体restrict关键字：只能引用定义的指针，不能使用另外赋值的指针。例：int *p=0xdddd;int * q=p;当定义函数int test(int * restrict x);时，参数x知道能传p,不能穿q。2.attr填NULL即可。（4）RETURN VALUEIf successful, the pthread_mutex_destroy() and pthread_mutex_init() functions shall return zero; otherwise, an error num‐ber shall be returned to indicate the error.3.pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_unlock()man pthread_mutex_lock(1)NAMEpthread_mutex_lock, pthread_mutex_trylock, pthread_mutex_unlock — lock and unlock a mutex(2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);(3)RETURN VALUEIf successful, the pthread_mutex_lock(), pthread_mutex_trylock(), and pthread_mutex_unlock() functions shall return zero;otherwise, an error number shall be returned to indicate the error.DEMO：https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_mutex.c

六、死锁

两种情况：1.线程试图对同一个互斥量A加锁两次2.线程1 拥有 A锁，请求获取 B锁；线程2 拥有 B锁，请求获得A锁。DEMO:

七、读写锁

概念

锁只有一把：以读方式给数据加锁——读锁。以写方式给数据加锁——写锁。读共享，写独占。
写锁优先级高。【相较于互斥量而言，当读线程多的时候，提高访问效率】。特性如下图：

读写锁实现

实现步骤：pthread_rwlock_t mylock;//定义读写锁全局变量pthread_rwlock_init(&mylock,NULL);//动态初始化读写锁pthread_rwlock_t mylock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZERpthread_rwlock_rdlock(&mylock);//加读锁，阻塞线程直到锁可用pthread_rwlock_tryrdlock(&mylock);//加读锁，不阻塞线程，直接返回结果pthread_rwlock_wrlock(&mylock);//加写锁，阻塞线线程直到锁可用pthread_rwlock_trywrlock(&mylock);//加写锁，不阻塞线程，直接返回结果pthread_rwlock_unlock(&mylock);//解锁pthread_rwlock_destroy(&mylock);//销毁读写锁函数解析:
1.pthread_rwlock_init()、pthread_rwlock_destroy()man  pthread_rwlock_init(1)NAMEpthread_rwlock_destroy, pthread_rwlock_init — destroy and initialize a read-write lock object(2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;(3)PARAMETER1.rwlock:互斥锁结构体restrict关键字：只能引用定义的指针，不能使用另外赋值的指针。例：int *p=0xdddd;int * q=p;当定义函数int test(int * restrict x);时，参数x知道能传p,不能穿q。2.attr填NULL即可。(4)RETURN VALUEIf successful, the pthread_rwlock_destroy() and pthread_rwlock_init() functions shall return zero;  otherwise,  an  errornumber shall be returned to indicate the error.2.pthread_rwlock_rdlock(), pthread_rwlock_tryrdlock()man  pthread_rwlock_rdlock(1)NAMEpthread_rwlock_rdlock, pthread_rwlock_tryrdlock — lock a read-write lock object for reading(2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);    (3)RETURN VALUE成功：0失败：错误号。errno。3.pthread_rwlock_wrlock(),pthread_rwlock_trywrlock()(1)NAMEpthread_rwlock_trywrlock, pthread_rwlock_wrlock — lock a read-write lock object for writing(2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);(3)RETURN VALUE成功：0失败：错误号。errno。4.pthread_rwlock_unlock()(1)NAMEpthread_rwlock_unlock — unlock a read-write lock object(2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);(3)RETURN VALUEIf  successful,  the  pthread_rwlock_unlock() function shall return zero; otherwise, an error number shall be returned toindicate the error.DEMO:https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/pthread_rwlock.c

八、条件变量

条件变量概念

条件变量本身不是锁，但可以造成线程阻塞。
通常与互斥锁配合使用（例如下面的生产者消费者模型）。主要函数如下：

man 手册找不到下列函数。就用下面的安装命令安装。
sudo apt-get install manpages-posix-dev1. pthread_cond_tpthread_cond_t cond;//条件变量结构体
初始化条件变量：pthread_cond_init(&cond,NULL);                       //动态初始化pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;     //静态初始化2. pthread_cond_init()、pthread_cond_destroy()1)NAMEpthread_cond_destroy, pthread_cond_init — destroy and initialize condition variables2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;3)PARAMETERcond ：条件变量结构体attr ：NULL即可。4)RETURN VALUEIf successful, the pthread_cond_destroy() and pthread_cond_init() functions shall return zero; otherwise, an error numbershall be returned to indicate the error.3.pthread_cond_timedwait(), pthread_cond_wait()1）NAMEpthread_cond_timedwait, pthread_cond_wait — wait on a condition2）SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);3)PARAMETERcond  ：互斥量结构体mutex ：初始化过的互斥锁结构体4）RETURN VALUEUpon  successful  completion, a value of zero shall be returned; otherwise, an error number shall be returned to indicatethe error.4. pthread_cond_broadcast(),//唤醒阻塞在条件变量上的 所有线程pthread_cond_signal()    //唤醒阻塞在条件变量上的 （至少）一个线程1)NAMEpthread_cond_broadcast, pthread_cond_signal — broadcast or signal a condition2)SYNOPSIS#include <pthread.h>int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);3)PARAMETERcond：条件变量结构体4）RETURN VALUEIf successful, the pthread_cond_broadcast() and pthread_cond_signal() functions shall return zero;  otherwise,  an  errornumber shall be returned to indicate the error.DEMO:详见 八、生产者与消费者

wait和timewait详解

九、生产者消费者模型（条件变量实现）

基础
DEMO

源码连接

十、信号量

基础

信号量和互斥锁(1)类似，只是互斥锁最多只允许一个线程访问共享数据，而信号量(N)可以是多个线程访问。sem_t sem；//定义类型
sem_wait(); //一次调用，做一次-- 操作，当信号量的值为 0 时，再次 -- 会阻塞。（对比 pthread_mutex_lock）
sem_post();//一次调用，做一次++ 操作，当信号量的值为 N 时，再次 ++ 就会阻塞。（对比pthread_mutex_unlock）

涉及函数

1.sem_t sem；//定义类型2.sem_init()man sem_init1）NAMEsem_init - initialize an unnamed semaphore2）SYNOPSIS#include <semaphore.h>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);Link with -pthread.3）PARAMETERsem：信号量pshared ：0 线程同步1 进程同步value ：N值。信号量值。 （指定同时访问的线程数）4）RETURN VALUEsem_init() returns 0 on success; on error, -1 is returned, and errno is set to indicate the error.3.sem_destroy()1）NAMEsem_destroy - destroy an unnamed semaphore2）SYNOPSIS#include <semaphore.h>int sem_destroy(sem_t *sem);Link with -pthread.3）RETURN VALUEsem_destroy() returns 0 on success; on error, -1 is returned, and errno is set to indicate the error.4.sem_wait(),sem_timedwait() //（对比 pthread_mutex_lock）man sem_wait1)NAMEsem_wait, sem_timedwait, sem_trywait - lock a semaphore2)SYNOPSIS#include <semaphore.h>int sem_wait(sem_t *sem);int sem_trywait(sem_t *sem);int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);Link with -pthread.3)PARAMETERabs_timeout :采用的是绝对时间。和普通的定时不同。例：定时1秒time_t cur = time(NULL);//获取当前时间struct timespect t;//定义时间结构体变量t.tv_sec = cur+1;//定时1s.t.tv_nsec = t.tv_sec +100;sem_timewait(&sem,&t);//应用传参4)RETURN VALUEAll of these functions return 0 on success; on error, the value of the semaphore is left unchanged, -1 is  returned,  anderrno is set to indicate the error.5.sem_post()  //（对比pthread_mutex_unlock）man sem_post1)NAMEsem_post - unlock a semaphore2)SYNOPSIS#include <semaphore.h>int sem_post(sem_t *sem);Link with -pthread.3)RETURN VALUEsem_post() returns 0 on success; on error, the value of the semaphore is left unchanged, -1 is returned, and errno is setto indicate the error.

利用信号量实现生产者消费者模型

DEMO：https://github.com/Panor520/LinuxCode/tree/master/thread/sem_produce_consumer.cDEMO配合下图看。

十一、线程池

基础概念

 epoll 实现 client 端和 server 端的连接。线程池 实现 server 端高效处理和客户端连接的操作。线程池的实现利用 条件变量 和 锁 机制。

实现
DEMO还没来的及写，自行百度

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