ZUCC_操作系统_Lab4线程的创建与管理
2024-05-19 13:37:53
Lab 4线程的创建与管理
代码在页底
一.“hello world"单线程
#include<stdio.h>
int main(void){p_msg("hello ");p_msg("world\n"); return 0;
}void p_msg(char *s){int i;for(i=0;i<5;i++){printf("%s",s);fflush(stdout);sleep(1);}
}
1）此例程使用函数调用，理解函数调用是顺序执行的；
1.表现形式：先打印 hello,再打印world
2)理解fflush的作用
fflush()：
1.单词释义：flush:冲洗 fflush:刷新缓冲区
2.作用：清洗读写缓冲区，立即物理写入输出缓冲区的数据
3.类型：fflush(stdin):刷新输入缓冲区，将输入缓冲区的数据丢弃fflush(stdout):刷新输出缓冲区，将输出缓冲区数据打印到输出设备 4.fflush(out)在源程序中作用：sleep(1)使得进程休眠，但是输出的字符串已经保留到缓冲区fflush(out)表示，尽管在休眠状况下，直接将缓冲区的数据打印到输出设备（显示屏）
5.实例：去掉fflush(out),实验结果：等五秒后电脑一次打印完”hello hello hello hello hello world“但是改写printf("hello")->printf("hello\n"),去掉fflush(out)仍就是每秒打印一次"hello"
二."hello world"多线程
易错提醒：
1.代码：pthread_create(&t1,NULL,p_msg,(void*)“hello”);
–>pthread_create(&t1,NULL,(void*)p_msg,(void*)“hello”);
2.编译： gcc -o t t.c -lpthread
-lpthread 链接线程库
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
void *p_msg(char *m){char *cp=(char*) m;int i;for(i=0;i<5;i++){printf("%s",m);fflush(stdout);sleep(1); }return NULL;
}
int main(void){pthread_t t1,t2;void *p_msg(char*);pthread_create(&t1,NULL,(void*)p_msg,(void*)"hello"); //注意：p_msg->(void *)p_msgpthread_create(&t2,NULL,(void*)p_msg,(void*)"world\n"); //pthread_join(t1,NULL);pthread_join(t2,NULL);return 0;
}
1）从输出内容，观察线程的并发执行
1. 源程序先书写调用“hello"的函数，再书写调用"world"函数但图中两次不同的输出显示，hello与world输出先后顺序不定，从而表示了两个线程是并发执行的
2. 并发：一定时间段内，多个程序交替使用CPU，但在任意时间点上只有一个程序在CPU上运行
2）运行例程，用ps -aL ,ps -efl,pstree -p观察线程信息
1.ps -aL
ps -aL
1.命令提示符：ps -a:选择除两个会话头之外的所有进程以及与终端无关的进程ps -L:显示线程ps -aL:显示除两个会话头之外的所有进程以及与终端无关的进程的线程
注意：注意大小写,不能用ps -alps -l表示长格式，不会显示线程相关信息（LWP值）2.线程相关信息：PID: process identification 进程标识符LWP: light weight process 轻量级进程（线程）TTY: teletypes 虚拟控制台，串口以及伪终端设备组成的终端设备CMD: command prompt 命令提示符
2.ps -efL
ps -efL
1.命令提示符：ps -e: 显示所有进程 与ps -A一致ps -f: 做清单列表ps -L: 显示线程ps -efL:显示所有进程与线程的清单列表2.线程相关信息：UID： User ID 用户IDPPID：Parent Process ID 父进程IDNLWP: The number of LWP 一个进程中线程的数量STIME Start Time 进程开始的时间
3.pstree -p
pstree -p
1.命令提示符：pstree -p: 显示进程树，在进程后括号内十进制表示PID
4.线程信息
线程信息：
1.命令提示符：gcc -lpthread: 链接线程函数库grep p1: 检索与p1相同的字符串的内容 ./p1 > p1.txt: 将p1执行的结果保存在p1.txt文件中./p1 |ps -L: 表示只统计执行p1时，相关的线程信息，"|"表示同时
5.遇到的小小问题：
gcc编译书上代码时会有提示出错，但仍可生成可执行文件？
解决方式:主函数：pthread_create(&t1,NULL,p_msg,(void*)"hello");->pthread_create(&t1,NULL,(void*)p_msg,(void*)"hello");
3）理解pthread_create()函数的作用
1.头文件：#include<pthread.h>
2.函数声明：int pthread_create(pthread_t *thread,pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void*),void *arg)
3.参数说明：pthread_t *thread: 指向线程的标识符，返回线程的IDpthread_attr_t *attr: 设置线程的属性，NULL表示默认属性void *(*start_routine)(void*): 线程运行函数的起始地址void *arg: 传给线程启动函数的参数
4.返回值：成功创建返回0，失败返回错误码
5.pthread_create()函数说明：是类UNIX操作系统（Unix,Linux,Mac OSX等)创建线程的函数创建线程，本质是确定调用该线程函数的入口点线程创建后，就开始运行相关线程函数
4）理解pthread_join()函数的作用；删除pthread_join函数后，观察例程运行
1.头文件：#include<pthread.h>
2.函数声明：int pthread_join(pthread_t thread,void **retval)
3.参数说明：pthread_t thread: 线程标识符，即线程ID thread:线 pthread:线程 void **retval: 用户定义的指针，用来储存被等待线程的返回值 retval:return value
4.返回值：成功等待返回0，失败返回错误值
5.pthread_join()函数说明：A线程调用B线程并执行pthread_join()后，A线程处于阻塞状态当B线程结束，pthread_join()函数返回，回收B线程的资源，A线程才继续执行
1.结果：1.不使用pthread_join()函数,主线程可以输出，但子线程不会有输出2.仅有一个pthread_join()函数，也会有一样的输出
2.删除一个pthread_join:
3.删除两个pthread_join:
4.相关链接：
详情链接
5）改写代码，用并发的父子进程输出同样的内容，体会进程和线程的差别
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {int i;int pid[5];for(i=0;i<5;i++)if((pid[i]=fork())==0){printf("hello");exit(0); } else{wait(0);printf("world\n");}return 0;
}
//注意：及时对子进程执行退出，防止其运行后面的进程
//注意：printf("world\n")中"\n"不能去掉，否则打印的次数不详
| 0 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 1.创建 | fork() | pthread_create() |
| 2.等待终止 | wait() | pthread_join() |
| 3.包括 | 程序，数据，TCB | 程序,数据，堆栈，PCB |
| 4. | 调度，执行 | 调度，执行；拥有资源所有权 |
三.线程的并发执行和ID状态
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/syscall.h>
#define num 3
void *PrintThread(void*);int main(void){int i,ret;pthread_t a_pthread;int thread[num];for(i=0;i<num;i++)thread[i]=i;for(i=0;i<num;i++){ret=pthread_create(&a_pthread,NULL,PrintThread,(void*)(&thread[i]));if(ret==0)printf("Pthread launch successfully!\n");}i=getchar();return 0;
}
void *PrintThread(void *n){int i;for(i=0;i<3;i++){printf("num is %d,pid is %d,lwp id is %d,tid is %d\n",*((int*)n),getpid(),syscall(SYS_gettid),pthread_self());sleep(1); }return NULL;
}
1）分析输出内容不连续的原因
由图可知，pid均为10537，lwp有所不同，表明运行的所有线程均在同一进程下
多线程共用同一进程的资源
各线程在调用PrintThread()时每次输出后sleep(1)休眠1s,该线程进入阻塞态
在其休眠期间，其他线程由就绪态->运行态，执行程序并输出
2）删除sleep(1)，观察变化；分析原因
现象：每个线程内容连续输出
原因：每个线程在创建后进入就绪态，按照系统调用依次执行各线程，无sleep()和pthread_join()使用，线程正常执行，不会中断，直到线程正常结束，由运行态->死亡态 待一个线程结束后，按系统调度将就绪态中一个线程执行，变为运行态
3）分析输出内容，理解线程各种ID的含义
1.相关信息：num : 创建的第几个线程pid : 进程IDlwp : 线程 （light weight process:轻量级进程（线程））tid : 线程ID （thread ID)（与lwp同表示线程，值不同）
2.内容分析：1.3个线程均成功创建 Pthread launch successfully!且仅有10538，10539，10540三个线程号2.共用一个进程 pid均为10537
四.POSIX互斥锁的使用
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<sys/types.h>int gnum=0;
pthread_mutex_t mutex;
static void pthread_add2(void);
static void pthread_add3(void);int main(void){pthread_t p1=0;pthread_t p2=0;int ret=0;printf("main program is start,gnum is %d,pid is %d\n",gnum,getpid());pthread_mutex_init(&mutex,NULL);ret=pthread_create(&p1,NULL,(void*)pthread_add2,NULL);//ret=ret=pthread_create(&p2,NULL,(void*)pthread_add3,NULL);pthread_join(p1,NULL);pthread_join(p2,NULL);printf("main program is exited\n");return 0;
}
static void pthread_add2(void){int i;printf("This is pthread1,pid is %d,tid is %d,lwp id is %d \n",getpid(),pthread_self(),syscall(SYS_gettid));for(i=0;i<3;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);gnum++;sleep(1);gnum++;printf("pthread_add 2 gnum is %d \n",gnum);
// pthread_mutex_unlock(&mutex); }pthread_exit(NULL); //**
}
static void pthread_add3(void){ //**int i;printf("This is pthread2,pid is %d,tid is %d,lwp id is %d \n",getpid(),pthread_self(),syscall(SYS_gettid));for(i=0;i<4;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);gnum++;sleep(1);gnum++;sleep(1);gnum++;printf("pthread_add 3 gnum is %d \n",gnum); //gum
// pthread_mutex_unlock(&mutex); //unlock}pthread_exit(0);
}
1）保留注释，运行程序，输出混乱,分析原因
1. 由图可知，进程ID为12615的进程创建了两个线程：12616，12617.两个线程并发执行调用进程的资源当一个线程调用pthread_add2并执行sleep(1)休眠时，该线程进入阻塞期另一个线程由就绪态，被调用执行成运行态，执行pthread_add3并输出依次两个线程不断运行->阻塞，就绪->运行交替，所以输出内容交替
2）删除sleep()函数，运行程序，混乱消失，思考是否从根本上解决问题
1. 没有图1所示，同一进程产生的两个线程由系统调度，依次顺序执行全部程序和输出，并结束但是，如图2所示，由于线程是并发执行的，线程的调度由操作系统执行，所以同一优先级线程调度非顺序，导致最后输出结果gnum不一致
3）恢复sleep()函数，删掉注释，使用互斥锁，观察结果，理解互斥锁的作用
结果：1.优先输出两行"This is pthread*,pid is *,tid is *,lwp id is *"2.完整的执行完一个线程后，再执行另一个线程
互斥锁的作用：1.使得同一优先级线程可以按照顺序执行各线程2.当一个线程调用互斥锁时，其他请求锁的线程会进入等待队列，待锁释放后，按照优先级获得锁
疑问：1.为啥优先输出两行"This is pthread*,pid is *,tid is *,lwp id is *"？
4）掌握互斥锁的基本操作：初始化，加锁(P操作)，解锁(V操作)
1.全局变量： pthread_mutex_t mutex
2.动态互斥锁初始化： pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,pthread_mutexattr_t *restrict attr)
3.加锁： pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
4.解锁： pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
5）输出内容不在混乱，分析互斥锁与删除sleep()不同的原因
1.相同：不用sleep()和用互斥锁都可以使得输出内容有序
2.不同：不用sleep(): 线程并发的一次执行完成.A线程，B线程输出先后顺序不一定用互斥锁: 线程A先创建，先开启互斥锁，线程B创建时申请锁的使用进入等待队列只有线程A释放锁后，线程B才能开始执行.A.B线程输出顺序一定
6）使用互斥锁修改例程3，使得输出结果不交错
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/syscall.h>
#define num 3
void *PrintThread(void*);
pthread_mutex_t mutex;int main(void){int i,ret;pthread_t a_pthread;int thread[num];pthread_mutex_init(&mutex,NULL);for(i=0;i<num;i++)thread[i]=i;for(i=0;i<num;i++){ret=pthread_create(&a_pthread,NULL,PrintThread,(void*)(&thread[i]));if(ret==0)printf("Pthread launch successfully!\n");}i=getchar();return 0;
}
void *PrintThread(void *n){int i;for(i=0;i<3;i++){pthread_mutex_lock(&mutex);printf("num is %d,pid is %d,lwp id is %d,tid is %d\n",*((int*)n),getpid(),syscall(SYS_gettid),pthread_self());sleep(1); pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
五.POSIX互斥锁
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>int myglobal=10;
pthread_mutex_t mutex;
void *thread_function(void *arg){int i,j; //i,j不能混用for(i=0;i<20;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);j=myglobal;j++;printf(".");fflush(stdout);usleep(1000);myglobal=j;
// pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
int main(void){int i;pthread_t mythread=0;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);if(pthread_create(&mythread,NULL,thread_function,NULL)){printf("error creating mythread\n");abort(); //**abort(0)}for(i=0;i<20;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);myglobal++;printf("O");fflush(stdout);usleep(1000);
// pthread_mutex_unlock(&mutex);}if(pthread_join(mythread,NULL)){printf("error joining mythread\n");abort();}printf("\n myglobal equald is %d\n",myglobal); //**pthread_mutex_destroy(&mutex);exit(0);
}
1）观察程序加锁前后的变化，理解互斥锁的使用
1.abort()释义： abort:终止头文件：#include<stdlib.h>作用： 异常终止当前进程
2.互斥锁的使用：效果：使得线程依次顺序执行，避免并发导致的的输出混乱，单一输出的不完整
3.疑问：1.为啥先输出‘0’，再输出'.'?（为啥主函数的线程先拿到了锁）
六.代码区
1.“hello world"单线程
#include<stdio.h>
int main(void){p_msg("hello ");p_msg("world\n"); return 0;
}void p_msg(char *s){int i;for(i=0;i<5;i++){printf("%s",s);fflush(stdout);sleep(1);}
}
2."hello world"多线程
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
void *p_msg(char *m){char *cp=(char*) m;int i;for(i=0;i<5;i++){printf("%s",m);fflush(stdout);sleep(1); }return NULL;
}
int main(void){pthread_t t1,t2;void *p_msg(char*);pthread_create(&t1,NULL,(void*)p_msg,(void*)"hello"); //注意：p_msg->(void *)p_msgpthread_create(&t2,NULL,(void*)p_msg,(void*)"world\n"); //pthread_join(t1,NULL);pthread_join(t2,NULL);return 0;
}
2-1.用并发的父子进程输出同样的内容
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {int i;int pid[5];for(i=0;i<5;i++)if((pid[i]=fork())==0){printf("hello");exit(0); } else{wait(0);printf("world\n");}return 0;
}
//注意：及时对子进程执行退出，防止其运行后面的进程
//注意：printf("world\n")中"\n"不能去掉，否则打印的次数不详
3.线程的并发执行和ID状态
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/syscall.h>
#define num 3
void *PrintThread(void*);int main(void){int i,ret;pthread_t a_pthread;int thread[num];for(i=0;i<num;i++)thread[i]=i;for(i=0;i<num;i++){ret=pthread_create(&a_pthread,NULL,PrintThread,(void*)(&thread[i]));if(ret==0)printf("Pthread launch successfully!\n");}i=getchar();return 0;
}
void *PrintThread(void *n){int i;for(i=0;i<3;i++){printf("num is %d,pid is %d,lwp id is %d,tid is %d\n",*((int*)n),getpid(),syscall(SYS_gettid),pthread_self());sleep(1); }return NULL;
}
4.POSIX互斥锁的使用
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<sys/types.h>int gnum=0;
pthread_mutex_t mutex;
static void pthread_add2(void);
static void pthread_add3(void);int main(void){pthread_t p1=0;pthread_t p2=0;int ret=0;printf("main program is start,gnum is %d,pid is %d\n",gnum,getpid());pthread_mutex_init(&mutex,NULL);ret=pthread_create(&p1,NULL,(void*)pthread_add2,NULL);//ret=ret=pthread_create(&p2,NULL,(void*)pthread_add3,NULL);pthread_join(p1,NULL);pthread_join(p2,NULL);printf("main program is exited\n");return 0;
}
static void pthread_add2(void){int i;printf("This is pthread1,pid is %d,tid is %d,lwp id is %d \n",getpid(),pthread_self(),syscall(SYS_gettid));for(i=0;i<3;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);gnum++;sleep(1);gnum++;printf("pthread_add 2 gnum is %d \n",gnum);
// pthread_mutex_unlock(&mutex); }pthread_exit(NULL); //**
}
static void pthread_add3(void){ //**int i;printf("This is pthread2,pid is %d,tid is %d,lwp id is %d \n",getpid(),pthread_self(),syscall(SYS_gettid));for(i=0;i<4;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);gnum++;sleep(1);gnum++;sleep(1);gnum++;printf("pthread_add 3 gnum is %d \n",gnum); //gum
// pthread_mutex_unlock(&mutex); //unlock}pthread_exit(0);
}
4-1.使用互斥锁修改例程3，使得输出结果不交错
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/syscall.h>
#define num 3
void *PrintThread(void*);
pthread_mutex_t mutex;int main(void){int i,ret;pthread_t a_pthread;int thread[num];pthread_mutex_init(&mutex,NULL);for(i=0;i<num;i++)thread[i]=i;for(i=0;i<num;i++){ret=pthread_create(&a_pthread,NULL,PrintThread,(void*)(&thread[i]));if(ret==0)printf("Pthread launch successfully!\n");}i=getchar();return 0;
}
void *PrintThread(void *n){int i;for(i=0;i<3;i++){pthread_mutex_lock(&mutex);printf("num is %d,pid is %d,lwp id is %d,tid is %d\n",*((int*)n),getpid(),syscall(SYS_gettid),pthread_self());sleep(1); pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
5.POSIX互斥锁
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>int myglobal=10;
pthread_mutex_t mutex;
void *thread_function(void *arg){int i,j; //i,j不能混用for(i=0;i<20;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);j=myglobal;j++;printf(".");fflush(stdout);usleep(1000);myglobal=j;
// pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
int main(void){int i;pthread_t mythread=0;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);if(pthread_create(&mythread,NULL,thread_function,NULL)){printf("error creating mythread\n");abort(); //**abort(0)}for(i=0;i<20;i++){
// pthread_mutex_lock(&mutex);myglobal++;printf("O");fflush(stdout);usleep(1000);
// pthread_mutex_unlock(&mutex);}if(pthread_join(mythread,NULL)){printf("error joining mythread\n");abort();}printf("\n myglobal equald is %d\n",myglobal); //**pthread_mutex_destroy(&mutex);exit(0);
}
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