Linux下c開發(fā) 之 線程通信

1.Linux“線程”

?????進程與線程之間是有區(qū)別的，不過Linux內(nèi)核只提供了輕量進程的支持，未實現(xiàn)線程模型。Linux是一種“多進程單線程”的操作系統(tǒng)。Linux本身只有進程的概念，而其所謂的“線程”本質(zhì)上在內(nèi)核里仍然是進程。

?????大家知道，進程是資源分配的單位，同一進程中的多個線程共享該進程的資源（如作為共享內(nèi)存的全局變量）。Linux中所謂的“線程”只是在被創(chuàng)建時clone了父進程的資源，因此clone出來的進程表現(xiàn)為“線程”，這一點一定要弄清楚。因此，Linux“線程”這個概念只有在打冒號的情況下才是最準確的。

?????目前Linux中最流行的線程機制為LinuxThreads，所采用的就是線程－進程“一對一”模型，調(diào)度交給核心，而在用戶級實現(xiàn)一個包括信號處理在內(nèi)的線程管理機制。LinuxThreads由Xavier Leroy (Xavier.Leroy@inria.fr)負責開發(fā)完成，并已綁定在GLIBC中發(fā)行，它實現(xiàn)了一種BiCapitalized面向Linux的Posix 1003.1c “pthread”標準接口。Linuxthread可以支持Intel、Alpha、MIPS等平臺上的多處理器系統(tǒng)。

　　按照POSIX 1003.1c 標準編寫的程序與Linuxthread 庫相鏈接即可支持Linux平臺上的多線程，在程序中需包含頭文件pthread. h，在編譯鏈接時使用命令：

gcc -D -REENTRANT -lpthread xxx. c

　　其中-REENTRANT宏使得相關庫函數(shù)(如stdio.h、errno.h中函數(shù)) 是可重入的、線程安全的(thread-safe)，-lpthread則意味著鏈接庫目錄下的libpthread.a或libpthread.so文件。使用Linuxthread庫需要2.0以上版本的Linux內(nèi)核及相應版本的C庫(libc 5.2.18、libc 5.4.12、libc 6)。

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?????2.“線程”控制

　　線程創(chuàng)建

　　進程被創(chuàng)建時，系統(tǒng)會為其創(chuàng)建一個主線程，而要在進程中創(chuàng)建新的線程，則可以調(diào)用pthread_create：

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

　　start_routine為新線程的入口函數(shù)，arg為傳遞給start_routine的參數(shù)。

　　每個線程都有自己的線程ID，以便在進程內(nèi)區(qū)分。線程ID在pthread_create調(diào)用時回返給創(chuàng)建線程的調(diào)用者；一個線程也可以在創(chuàng)建后使用pthread_self()調(diào)用獲取自己的線程ID：

pthread_self (void) ;

　　線程退出

　　線程的退出方式有三：

　　（1）執(zhí)行完成后隱式退出；

　　（2）由線程本身顯示調(diào)用pthread_exit 函數(shù)退出；

pthread_exit (void * retval) ;

　　（3）被其他線程用pthread_cance函數(shù)終止：

pthread_cance (pthread_t thread) ;

　　在某線程中調(diào)用此函數(shù)，可以終止由參數(shù)thread 指定的線程。

　　如果一個線程要等待另一個線程的終止，可以使用pthread_join函數(shù)，該函數(shù)的作用是調(diào)用pthread_join的線程將被掛起直到線程ID為參數(shù)thread的線程終止：

pthread_join (pthread_t thread, void** threadreturn);

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3.線程通信

　　線程互斥

　　互斥意味著“排它”，即兩個線程不能同時進入被互斥保護的代碼。Linux下可以通過pthread_mutex_t 定義互斥體機制完成多線程的互斥操作，該機制的作用是對某個需要互斥的部分，在進入時先得到互斥體，如果沒有得到互斥體，表明互斥部分被其它線程擁有，此時欲獲取互斥體的線程阻塞，直到擁有該互斥體的線程完成互斥部分的操作為止。

　　下面的代碼實現(xiàn)了對共享全局變量x 用互斥體mutex 進行保護的目的：

int x; // 進程中的全局變量 pthread_mutex_t mutex; pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //按缺省的屬性初始化互斥體變量mutex pthread_mutex_lock(&mutex); // 給互斥體變量加鎖 … //對變量x 的操作 phtread_mutex_unlock(&mutex); // 給互斥體變量解除鎖

　　線程同步

　　同步就是線程等待某個事件的發(fā)生。只有當?shù)却氖录l(fā)生線程才繼續(xù)執(zhí)行，否則線程掛起并放棄處理器。當多個線程協(xié)作時，相互作用的任務必須在一定的條件下同步。

　　Linux下的C語言編程有多種線程同步機制，最典型的是條件變量(condition variable)。pthread_cond_init用來創(chuàng)建一個條件變量，其函數(shù)原型為：

pthread_cond_init (pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

　　pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait用來等待條件變量被設置，值得注意的是這兩個等待調(diào)用需要一個已經(jīng)上鎖的互斥體mutex，這是為了防止在真正進入等待狀態(tài)之前別的線程有可能設置該條件變量而產(chǎn)生競爭。pthread_cond_wait的函數(shù)原型為：

pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

　　pthread_cond_broadcast用于設置條件變量，即使得事件發(fā)生，這樣等待該事件的線程將不再阻塞：

pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *cond) ;

　　pthread_cond_signal則用于解除某一個等待線程的阻塞狀態(tài)：

pthread_cond_signal (pthread_cond_t *cond) ;

　　pthread_cond_destroy 則用于釋放一個條件變量的資源。

　　在頭文件semaphore.h 中定義的信號量則完成了互斥體和條件變量的封裝，按照多線程程序設計中訪問控制機制，控制對資源的同步訪問，提供程序設計人員更方便的調(diào)用接口。

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);

　　這個函數(shù)初始化一個信號量sem 的值為val，參數(shù)pshared 是共享屬性控制，表明是否在進程間共享。

sem_wait(sem_t *sem);

　　調(diào)用該函數(shù)時，若sem為無狀態(tài)，調(diào)用線程阻塞，等待信號量sem值增加(post )成為有信號狀態(tài)；若sem為有狀態(tài)，調(diào)用線程順序執(zhí)行，但信號量的值減一。

sem_post(sem_t *sem);

　　調(diào)用該函數(shù)，信號量sem的值增加，可以從無信號狀態(tài)變?yōu)橛行盘枲顟B(tài)。

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4.實例

　　下面我們還是以名的生產(chǎn)者/消費者問題為例來闡述Linux線程的控制和通信。一組生產(chǎn)者線程與一組消費者線程通過緩沖區(qū)發(fā)生聯(lián)系。生產(chǎn)者線程將生產(chǎn)的產(chǎn)品送入緩沖區(qū)，消費者線程則從中取出產(chǎn)品。緩沖區(qū)有N 個，是一個環(huán)形的緩沖池。

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #define BUFFER_SIZE 16 // 緩沖區(qū)數(shù)量 struct prodcons { // 緩沖區(qū)相關數(shù)據(jù)結構 int buffer[BUFFER_SIZE]; /* 實際數(shù)據(jù)存放的數(shù)組*/ pthread_mutex_t lock; /* 互斥體lock 用于對緩沖區(qū)的互斥操作 */ int readpos, writepos; /* 讀寫指針*/ pthread_cond_t notempty; /* 緩沖區(qū)非空的條件變量 */ pthread_cond_t notfull; /* 緩沖區(qū)未滿的條件變量 */ }; /* 初始化緩沖區(qū)結構 */ void init(struct prodcons *b) { pthread_mutex_init(&b->lock, NULL); pthread_cond_init(&b->notempty, NULL); pthread_cond_init(&b->notfull, NULL); b->readpos = 0; b->writepos = 0; } /* 將產(chǎn)品放入緩沖區(qū),這里是存入一個整數(shù)*/ void put(struct prodcons *b, int data) { pthread_mutex_lock(&b->lock); /* 等待緩沖區(qū)未滿*/ if ((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos) { pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock); } /* 寫數(shù)據(jù),并移動指針 */ b->buffer[b->writepos] = data; b->writepos++; if (b->writepos > = BUFFER_SIZE) b->writepos = 0; /* 設置緩沖區(qū)非空的條件變量*/ pthread_cond_signal(&b->notempty); pthread_mutex_unlock(&b->lock); }? /* 從緩沖區(qū)中取出整數(shù)*/ int get(struct prodcons *b) { int data; pthread_mutex_lock(&b->lock); /* 等待緩沖區(qū)非空*/ if (b->writepos == b->readpos) { pthread_cond_wait(&b->notempty, &b->lock); } /* 讀數(shù)據(jù),移動讀指針*/ data = b->buffer[b->readpos]; b->readpos++; if (b->readpos > = BUFFER_SIZE) b->readpos = 0; /* 設置緩沖區(qū)未滿的條件變量*/ pthread_cond_signal(&b->notfull); pthread_mutex_unlock(&b->lock); return data; } /* 測試:生產(chǎn)者線程將1 到10000 的整數(shù)送入緩沖區(qū),消費者線 程從緩沖區(qū)中獲取整數(shù),兩者都打印信息*/ #define OVER ( - 1) struct prodcons buffer; void *producer(void *data) { int n; for (n = 0; n < 10000; n++) { printf("%d --->\n", n); put(&buffer, n); } put(&buffer, OVER); return NULL; } void *consumer(void *data) { int d; while (1) { d = get(&buffer); if (d == OVER) break; printf("--->%d \n", d); } return NULL; } int main(void) { pthread_t th_a, th_b; void *retval; init(&buffer); /* 創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費者線程*/ pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0); pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0); /* 等待兩個線程結束*/ pthread_join(th_a, &retval); pthread_join(th_b, &retval); return 0; }

　　5.WIN32、VxWorks、Linux線程類比

　　目前為止，筆者已經(jīng)創(chuàng)作了《基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的多任務并發(fā)程序設計》（《軟件報》2006年5~12期連載）、《深入淺出Win32多線程程序設計》（天極網(wǎng)技術專題）系列，我們來找出這兩個系列文章與本文的共通點。

　　 看待技術問題要瞄準其本質(zhì)，不管是Linux、VxWorks還是WIN32，其涉及到多線程的部分都是那些內(nèi)容，無非就是線程控制和線程通信，它們的許多函數(shù)只是名稱不同，其實質(zhì)含義是等價的，下面我們來列個三大操作系統(tǒng)共同點詳細表單：

事項	WIN32	VxWorks	Linux
線程創(chuàng)建	CreateThread	taskSpawn	pthread_create
線程終止	執(zhí)行完成后退出；線程自身調(diào)用ExitThread函數(shù)即終止自己；被其他線程調(diào)用函數(shù)TerminateThread函數(shù)	執(zhí)行完成后退出；由線程本身調(diào)用exit退出；被其他線程調(diào)用函數(shù)taskDelete終止	執(zhí)行完成后退出；由線程本身調(diào)用pthread_exit 退出；被其他線程調(diào)用函數(shù)pthread_cance終止
獲取線程ID	GetCurrentThreadId	taskIdSelf	pthread_self
創(chuàng)建互斥	CreateMutex	semMCreate	pthread_mutex_init
獲取互斥	WaitForSingleObject、WaitForMultipleObjects	semTake	pthread_mutex_lock
釋放互斥	ReleaseMutex	semGive	phtread_mutex_unlock
創(chuàng)建信號量	CreateSemaphore	semBCreate、semCCreate	sem_init
等待信號量	WaitForSingleObject	semTake	sem_wait
釋放信號量	ReleaseSemaphore	semGive	sem_post

　　?6.小結

　　本章講述了Linux下多線程的控制及線程間通信編程方法，給出了一個生產(chǎn)者/消費者的實例，并將Linux的多線程與WIN32、VxWorks多線程進行了類比，總結了一般規(guī)律。鑒于多線程編程已成為開發(fā)并發(fā)應用程序的主流方法，學好本章的意義也便不言自明。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/xuhj001/p/3421541.html

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux下c开发 之 线程通信的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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