pthread线程传递数据回主线程_操作系统4：线程（1）

接下来讨论下线程。进程和线程是一个很有趣的话题，进程和线程的区别到底是什么？一些书上讲线程是“轻量级进程”，从而可以节省切换开销。但是线程到底是怎么样成为轻量级进程的呢？

可以设想这样的场景，word编辑。这个程序需要完成的功能想一下至少需要包括接收用户的输入、拼写检查、定期地保存。那么能不能使用一个进程完成这个工作呢？如果是一个进程，那么需要写代码的程序员考虑到什么时候切换这几个功能。很明显不是一个好选择。

那么能不能使用三个进程来完成这个工作呢？这边有点问题。就是进程之间的资源共享。我们知道进程有自己的一套资源，进程之间的资源不是共享的，被编辑的文件也是进程的资源【也正因为进程独占资源较多，所以是重量级的，切换代价高】。如何体现进程之间不共享资源呢？如果我们使用word进行编辑，那么可以试着两次打开一个word文档，然后同时编辑，结果呢？可以再看一个代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int count = 13;
int main(){pid_t pid;
//      int count = 13;pid = fork();if(pid == 0){sleep(5);count = 31;}else if (pid >  0){wait(NULL);}else printf("Fork Failure!n");printf("There are %d apples!n",count);exit(0);
}

可以看到一个进程改变了全局变量，对另一个进程毫无影响。而在上面的应用中，我们很明显需要多个动作同时操作同一个对象。所以这个时候需要线程。线程的作用，就是在一个进程中，同时有多个动作可以操作同一个对象。线程共享很多的资源，仅仅维持可以保证自己动作顺利运行的一些资源，譬如寄存器的值，局部的变量（需要有自己的栈）等。因为共享了资源，所以本身的资源量比较少，那么切换也比较容易。

这样的话，线程之间可以共同操作一个全局变量。

进程和线程的资源比较：

可以看一下线程的代码。C语言中的线程需要用到了一个专门的库pthread。要使用pthread，需要包含pthread.h并且需要使用-pthread（或-lpthread）编译器选项进行编译。此选项告诉编译器程序需要线程支持要创建线程，请使用函数pthread_create。这个函数有四个参数：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);

第一个是指向一个变量的指针，该变量将保存新创建的线程的id。
第二个是指向属性的指针，可以使用它来调整和调整pthreads的一些高级功能。
第三个是指向想要运行的函数的指针
第四个是函数参数的指针

参数void *（* start_routine）（void *）很难读懂，它表示一个带有void *指针并返回void *指针的指针。结合例子来看就很容易了：

#include<pthread.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>#define NUMBER_OF_THREADS 10void * print_hello_world(void *tid){printf("Hello world, greetings from thread %dn",tid);pthread_exit(NULL);
}int main(){pthread_t threads[NUMBER_OF_THREADS];int status, i;void * val;for(i=0;i<NUMBER_OF_THREADS;i++){printf("main here, creating threads %dn",i);status = pthread_create(&threads[i],NULL,print_hello_world,(void *)i);if(status != 0){printf("oops,code error %d",status);exit(-1);}}for(i=0;i<NUMBER_OF_THREADS;i++)pthread_join(threads[i],&val);exit(0);
}

上面的代码中，创建了10个线程，每个线程都去打印hello world。所以可以看到第三个参数就是我们自己准备好的print_hello_world()函数，同时希望打印出来是第几个线程，所以，第四个参数中把线程的编号传了进去。

看一下运行的效果：

可以看出，主线程按顺序创建了10个子线程，但是子线程的运行是乱序的。多运行几次，子线程的运行顺序也不同。

上面的代码中使用了pthread_join，pthread_join使一个线程等待另一个线程结束。

代码中如果没有pthread_join主线程会很快结束从而使整个进程结束，从而使创建的线程没有机会开始执行就结束了。加入pthread_join后，主线程会一直等待直到等待的线程结束自己才结束，使创建的线程有机会执行。

作为对比，请大家运行一下以下的代码：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void* myfunc(void* ptr) {int i = *((int *) ptr);printf("%d n", i);return NULL;
}int main() {// Each thread gets a different value of i to processint i;void * val;pthread_t tid[10];for(i =0; i < 10; i++) {pthread_create(&tid[i], NULL, myfunc, &i); // ERROR}//pthread_exit(NULL);for(i=0;i< 10;i++)pthread_join(tid[i],&val);exit(0);}

可以先分析下，这份代码的运行结果。以及

void* myfunc(void* ptr) {int i = *((int *) ptr);printf("%d n", i);return NULL;
}int main() {// Each thread gets a different value of i to processint i;void * val;pthread_t tid[10];for(i =0; i < 10; i++) {pthread_create(&tid[i], NULL, myfunc, &i); // ERROR}pthread_exit(NULL);//for(i=0;i< 10;i++)//          pthread_join(tid[i],&val);exit(0);}

以及，如果希望它能够正常打印出来0,1,2，...，9，可以怎么样改这份代码。

上面的代码主要是了解一下线程的运行情况，下面我们来讨论一下线程对全局变量的共享

#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int i=10;
void * fn1 (){printf("thread1: i=%dn",(int)i);
}void * fn2()
{sleep(1);i++;printf("thread2: i=%dn",(int)i);
}int main(){pthread_t t1,t2;void * val;pthread_create(&t1,NULL,fn1,NULL);pthread_create(&t2,NULL,fn2,NULL);pthread_join(t1,&val);pthread_join(t2,&val);printf("main process i=%dn",i);return 0;
}

在上面的代码中，i是全局变量，所有的线程都可见，而且可以直接对全局变量进行修改。

下面这份代码的输出会是什么样子呢？

#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>void * fn1 (void * i){int j = (*((int *)i))++ ;printf("thread1: j=%dn",j);
}void * fn2(void * i)
{sleep(1);int j = *((int *)i) + 1;printf("thread2: j =%dn",j);
}int main(){pthread_t t1,t2;void * val;int i = 10;pthread_create(&t1,NULL,fn1,(void *)(&i));pthread_create(&t2,NULL,fn2,(void *)(&i));pthread_join(t1,&val);pthread_join(t2,&val);printf("main process i=%dn",i);return 0;}

写局部变量的代码的时候发现的有趣的代码，发出来请大家一起讨论下。

最后我们讨论下多线程中比较容易出错的地方。

有一道面试题是这样的：

一个全局变量tally，两个线程并发执行（代码段都是ThreadProc)，问两个线程都结束后，total的取值范围。

int total = 0;//global
void ThreadProc()
{for(inti = 1; i <= 50; i++)total += 1;
}

理解这个题目的答案是一个范围，而不是100，首先要了解的是，线程发生调度完全取决于操作系统；另外，total +=1，在机器指令层面，并不是一条指令，而是三条指令，首先要将变量的值保存到寄存器中，然后对寄存器进行操作，最后保存回变量。类似于下面：

tmp = total;
tmp = tmp + 1；
total = tmp；

这道面试题考的就是要详细分析多种可能发生的调度情况。譬如我们可以很容易找到一种调度的情况，使得total的结果是75。

进程1，首先得到调度，然后执行使得total的值变成25，此时发生了调度，由进程2执行；

进程2开始执行，读取total的值，保存到自己的tmp中，此时进程2的tmp=25；然后再次发生调度；

进程1接着执行完毕，在进程1的操作下，total变成了50，进程1退出。

进程2被调度，执行，此时它不会去重新读取新的total的值，而是直接使用自己已经保存的tmp的值开始执行指令，50次循环之后变成了75。

total的值也就是75。

75只是一个例子；那么total的范围到底应该是多少呢？

考虑下面的调度情况，total的值是多少？

进程1调度，保存tmp=0；

进程2调度，执行49次，此时total=49；

进程1调度，执行一次，修改total的值；

进程2调度，读取total的值准备进行最后一次计算，保存到tmp；

进程1调度，执行剩下的49次循环；

进程2调度，完成1次计算。

本门课程在B站有视频。一些问题会在视频中解答。:)

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