一、多线程的使用

1.1、线程的创建

函数原型：

#include 

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);
// Compile and link with -pthread.

描述：

pthread_create()函数在调用进程中启动一个新线程。新线程通过调用start_routine()开始执行；arg作为start_routine()的唯一参数传递。

新线程以以下方式之一终止：

（1）它调用pthread_exit()，指定一个退出状态值，该值可用于调用pthrread_join()的同一进程中的另一个线程，即pthrread_join()可以接收pthread_exit()返回的值。

（2）它从start_routine()返回。这相当于使用return语句中提供的值调用pthread_exit()。

（3）它被pthread_cancel()取消。

（4）进程中的任何线程都调用exit()，或者主线程执行main()的返回。这将导致进程中所有线程的终止。

参数介绍：

返回值：

成功时，返回0；出错时，它返回一个错误号，并且*thread的内容未定义。

错误号：

其他：

新线程继承创建线程的信号掩码【pthread_sigmask()】的副本。新线程的挂起信号集为空【sigpending()】。新线程不继承创建线程的备用信号堆栈【sigaltstack()】。

新线程的CPU时间时钟的初始值为0【参见pthread_getcpuclockid()】。

示例代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define handle_error_en(en, msg) 
        do { errno = en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

#define handle_error(msg) 
        do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

struct thread_info {    /* Used as argument to thread_start() */
    pthread_t thread_id;        /* ID returned by pthread_create() */
    int       thread_num;       /* Application-defined thread # */
    char     *argv_string;      /* From command-line argument */
};

/* Thread start function: display address near top of our stack,
   and return upper-cased copy of argv_string */

static void *
thread_start(void *arg)
{
    struct thread_info *tinfo = arg;
    char *uargv, *p;

    printf("Thread %d: top of stack near %p; argv_string=%sn",
            tinfo->thread_num, &p, tinfo->argv_string);

    uargv = strdup(tinfo->argv_string);
    if (uargv == NULL)
        handle_error("strdup");

    for (p = uargv; *p != ''; p++)
        *p = toupper(*p);

    return uargv;
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int s, tnum, opt, num_threads;
    struct thread_info *tinfo;
    pthread_attr_t attr;
    int stack_size;
    void *res;

    /* The "-s" option specifies a stack size for our threads */

    stack_size = -1;
    while ((opt = getopt(argc, argv, "s:")) != -1) {
        switch (opt) {
        case 's':
            stack_size = strtoul(optarg, NULL, 0);
            break;

        default:
            fprintf(stderr, "Usage: %s [-s stack-size] arg...n",
                    argv[0]);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    num_threads = argc - optind;

    /* Initialize thread creation attributes */

    s = pthread_attr_init(&attr);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_init");

    if (stack_size > 0) {
        s = pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "pthread_attr_setstacksize");
    }

    /* Allocate memory for pthread_create() arguments */

    tinfo = calloc(num_threads, sizeof(struct thread_info));
    if (tinfo == NULL)
        handle_error("calloc");

    /* Create one thread for each command-line argument */

    for (tnum = 0; tnum  
 

1.2、线程的终止

新线程以以下方式之一终止：

（1）它调用pthread_exit()，指定一个退出状态值，该值可用于调用pthrread_join()的同一进程中的另一个线程，即pthrread_join()可以接收pthread_exit()返回的值。

（2）它从start_routine()返回。这相当于使用return语句中提供的值调用pthread_exit()。

（3）它被pthread_cancel()取消。

（4）进程中的任何线程都调用exit()，或者主线程执行main()的返回。这将导致进程中所有线程的终止。

pthread_exit()函数原型：

#include 

void pthread_exit(void *retval);

// Compile and link with -pthread.

描述：

（1）pthread_exit()函数终止调用线程并通过retval返回一个值，该值（如果线程是可连接的）可用于调用pthrea_join()的同一进程中的另一个线程，即可被pthrea_join()接收返回值。

（2）任何由pthread_cleanup_push()建立的尚未弹出的清理处理程序都会弹出（与它们被推送的顺序相反）并执行。如果线程具有任何特定于线程的数据，则在执行清理处理程序后，将以未指定的顺序调用相应的析构函数。

（3）当线程终止时，进程共享资源（例如互斥体、条件变量、信号量和文件描述符）不会被释放，使用atexit()注册的函数也不会被调用。

（4）进程中的最后一个线程终止后，进程通过调用exit()终止，退出状态为零；因此，释放进程共享资源并调用使用atexit()注册的函数。

返回值：此函数不返回调用方。

错误：此函数始终成功。

注意：

（1）从除主线程之外的任何线程的start函数执行返回将导致隐式调用pthread_exit()，使用函数的返回值作为线程的退出状态。

（2）为了允许其他线程继续执行，主线程应该通过调用pthread_exit()而不是exit()来终止。

（3）retval指向的值不应位于调用线程的堆栈上，因为该堆栈的内容在线程终止后未定义。

pthread_cancel()函数原型：

#include 

int pthread_cancel(pthread_t thread);

// Compile and link with -pthread.

描述：

pthread_cancel()函数向线程thread发送取消请求。目标线程是否以及何时响应取消请求取决于该线程控制的两个属性：其可取消性state和type。

由pthread_setcancelstate()设置线程的可取消状态可以启用（新线程的默认状态）或禁用。如果线程已禁用取消，则取消请求将保持排队状态，直到线程启用取消。如果线程已启用取消，则其可取消性类型决定何时取消。

由pthread_setcanceltype()确定的线程的取消类型可以是异步的或延迟的（新线程的默认值）。异步可取消性意味着线程可以随时取消（通常是立即取消，但系统不保证）。延迟可取消性意味着取消将被延迟，直到线程下一次调用作为取消点的函数。pthreads()中提供了作为或可能是取消点的函数列表。

执行取消请求时，线程将执行以下步骤（按顺序）：

被取消的线程终止后，使用pthread_join()与该线程的连接将获得pthrea_canceled作为线程的退出状态。（使用线程连接是知道取消已完成的唯一方法。）

返回值：成功时，返回0；出错时，返回非零错误号。

错误：ESRCH，找不到ID为thread的线程。

1.3、线程的等待

函数原型：

#include 

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

// Compile and link with -pthread.

描述：

pthread_join()函数等待线程指定的线程终止。如果该线程已经终止，则pthread_join（）立即返回。thread指定的线程必须是可连接的。

如果retval不为空，则pthread_join()将目标线程的退出状态（即，目标线程提供给pthrea_exit()的值）复制到

retval中。

如果多个线程同时尝试与同一线程联接，则结果是未定义的。如果调用pthread_join()的线程被取消，那么目标线程将保持可连接状态（即，它不会被分离）。

返回值：成功时，返回0；出错时，它返回错误号。

错误号：

1.4、线程的属性

函数原型：

#include 

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

// Compile and link with -pthread.

描述：

pthread_attr_init()函数使用默认属性值初始化attr指向的线程属性对象。在这个调用之后，可以使用各种相关函数（下方列出）设置对象的各个属性，然后可以在创建线程的一个或多个pthread_create()调用中使用该对象。

pthread_attr_setaffinity_np(), 
pthread_attr_setdetachstate(), 
pthread_attr_setguardsize(), 
pthread_attr_setinheritsched(), 
pthread_attr_setschedparam(), 
pthread_attr_setschedpolicy(),
pthread_attr_setscope(), 
pthread_attr_setstack(), 
pthread_attr_setstackaddr(), 
pthread_attr_setstacksize(), 
pthread_create(), 
pthread_getattr_np(), 
pthreads()

对已初始化的线程属性对象调用pthread_attr_init()会导致未定义的行为。

当不再需要线程属性对象时，应使用pthread_attr_destroy()函数将其销毁。 销毁线程属性对象对使用该对象创建的线程没有影响。

线程属性对象被销毁后，可以使用pthread_attr_init()对其重新初始化。任何其他使用已销毁线程属性对象的方法都会产生未定义的结果。

返回值：

成功时，这些函数返回0；出错时，它们返回一个非零错误号。

错误：

在Linux上，这些函数总是成功的（但可移植和未来验证的应用程序应该处理可能的错误返回）。

pthread_attr_t类型应被视为不透明的：除通过pthreads函数外，对对象的任何访问都是不可移植的，并产生未定义的结果。

示例代码：

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define handle_error_en(en, msg) 
        do { errno = en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

static void
display_pthread_attr(pthread_attr_t *attr, char *prefix)
{
    int s, i;
    size_t v;
    void *stkaddr;
    struct sched_param sp;

    s = pthread_attr_getdetachstate(attr, &i);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getdetachstate");
    printf("%sDetach state        = %sn", prefix,
            (i == PTHREAD_CREATE_DETACHED) ? "PTHREAD_CREATE_DETACHED" :
            (i == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ? "PTHREAD_CREATE_JOINABLE" :
            "???");

    s = pthread_attr_getscope(attr, &i);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getscope");
    printf("%sScope               = %sn", prefix,
            (i == PTHREAD_SCOPE_SYSTEM)  ? "PTHREAD_SCOPE_SYSTEM" :
            (i == PTHREAD_SCOPE_PROCESS) ? "PTHREAD_SCOPE_PROCESS" :
            "???");

    s = pthread_attr_getinheritsched(attr, &i);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getinheritsched");
    printf("%sInherit scheduler   = %sn", prefix,
            (i == PTHREAD_INHERIT_SCHED)  ? "PTHREAD_INHERIT_SCHED" :
            (i == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) ? "PTHREAD_EXPLICIT_SCHED" :
            "???");

    s = pthread_attr_getschedpolicy(attr, &i);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getschedpolicy");
    printf("%sScheduling policy   = %sn", prefix,
            (i == SCHED_OTHER) ? "SCHED_OTHER" :
            (i == SCHED_FIFO)  ? "SCHED_FIFO" :
            (i == SCHED_RR)    ? "SCHED_RR" :
            "???");

    s = pthread_attr_getschedparam(attr, &sp);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getschedparam");
    printf("%sScheduling priority = %dn", prefix, sp.sched_priority);

    s = pthread_attr_getguardsize(attr, &v);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getguardsize");
    printf("%sGuard size          = %d bytesn", prefix, v);

    s = pthread_attr_getstack(attr, &stkaddr, &v);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_attr_getstack");
    printf("%sStack address       = %pn", prefix, stkaddr);
    printf("%sStack size          = 0x%zx bytesn", prefix, v);
}

static void *
thread_start(void *arg)
{
    int s;
    pthread_attr_t gattr;

    /* pthread_getattr_np() is a non-standard GNU extension that
       retrieves the attributes of the thread specified in its
       first argument */

    s = pthread_getattr_np(pthread_self(), &gattr);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_getattr_np");

    printf("Thread attributes:n");
    display_pthread_attr(&gattr, "t");

    exit(EXIT_SUCCESS);         /* Terminate all threads */
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t thr;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_t *attrp;      /* NULL or &attr */
    int s;

    attrp = NULL;

    /* If a command-line argument was supplied, use it to set the
       stack-size attribute and set a few other thread attributes,
       and set attrp pointing to thread attributes object */

    if (argc > 1) {
        int stack_size;
        void *sp;

        attrp = &attr;

        s = pthread_attr_init(&attr);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "pthread_attr_init");

        s = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "pthread_attr_setdetachstate");

        s = pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "pthread_attr_setinheritsched");

        stack_size = strtoul(argv[1], NULL, 0);

        s = posix_memalign(&sp, sysconf(_SC_PAGESIZE), stack_size);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "posix_memalign");

        printf("posix_memalign() allocated at %pn", sp);

        s = pthread_attr_setstack(&attr, sp, stack_size);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "pthread_attr_setstack");
    }

    s = pthread_create(&thr, attrp, &thread_start, NULL);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_create");

    if (attrp != NULL) {
        s = pthread_attr_destroy(attrp);
        if (s != 0)
            handle_error_en(s, "pthread_attr_destroy");
    }

    pause();    /* Terminates when other thread calls exit() */
}

二、无原子操作

在多个线程中，对一个变量不断操作，如果没有原子操作会怎么样？

示例代码：

#include 
#include 
#include 

#define THREAD_SIZE		10

// 10 * 100000
void *func(void *arg) {

	int *pcount = (int *)arg;

	int i = 0;
	while (i++  
 

上述代码执行结果理论上是1000000，但是最后结果是994656。也就是无原子操作下的执行结果小于理论值。

原因在于，执行idx++时汇编代码是：

Mov [idx], %eax
Inc %eax
Mov %eax,[idx]

也就是c语言是一条语句，但真正执行时是三条命令。在无原子操作时，就可能出现如下情况：

原意要自增两次，然而实际只自增了一次，因此无原子操作下的执行结果小于理论值。

三、互斥锁

让临界资源只允许在一个线程中执行。

pthread_mutex_init()

函数原型：

#include 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

函数描述：

互斥锁的初始化。

pthread_mutex_init() 函数是以动态方式创建互斥锁的，参数attr指定了新建互斥锁的属性。如果参数attr为空(NULL)，则使用默认的互斥锁属性，默认属性为快速互斥锁 。

互斥锁的属性在创建锁的时候指定，在实现中仅有一个锁类型属性，不同的锁类型在试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不同。

返回：

成功会返回零，其他任何返回值都表示出现了错误。

成功后，互斥锁被初始化为未锁住态。

pthread_mutex_destroy()

用于注销一个互斥锁，函数原型：

#include 
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)

销毁一个互斥锁即意味着释放它所占用的资源，且要求锁当前处于开放状态。由于在Linux中，互斥锁并不占用任何资源，因此pthread_mutex_destroy()仅仅检查锁状态（锁定状态则返回EBUSY）。

pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_trylock()

函数原型：

#include 

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

描述：

互斥引用的互斥对象通过调用 pthread_mutex_lock()被锁定。如果互斥锁已被锁定，则调用线程将阻塞，直到互斥体变为可用。此操作将返回由处于锁定状态的互斥所引用的互斥对象，其中调用线程是其所有者。

函数 pthread_mutex_trylock()与 pthread_mutex_lock()相同，只是如果互斥引用的互斥对象当前被锁定（由任何线程，包括当前线程锁定），则调用将立即返回。

返回值：

如果成功，pthread_mutex_lock()和 pthread_mutex_unlock() 函数返回零。否则，将返回一个错误号以指示错误。

如果获取了互斥引用的互斥对象上的锁，则函数 pthread_mutex_trylock（） 返回零。否则，将返回一个错误号以指示错误。

如果出现以下情况，pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_trylock()函数将失败：

这些函数不会返回错误代码EINTR。

pthread_mutex_unlock(）

函数原型：

#include 
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

描述：

pthread_mutex_unlock() 函数释放互斥引用的互斥对象。释放互斥体的方式取决于互斥体的 type 属性。如果在调用 pthread_mutex_unlock()时，互斥所引用的互斥对象上存在阻塞的线程，从而导致互斥体变为可用，则调度策略用于确定哪个线程应获取互斥。（在PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE互斥锁的情况下，当计数达到零并且调用线程不再对此互斥锁时，互斥锁将变为可用）。

如果信号被传递到等待互斥体的线程，则在信号处理程序返回时，线程将恢复等待互斥体，就好像它没有被中断一样。

返回值：

如果成功，返回零。否则，将返回一个错误号以指示错误。

示例代码

#include 
#include 
#include 

#define THREAD_SIZE		10

#define ADD_MUTEX_LOCK	1

#if ADD_MUTEX_LOCK
pthread_mutex_t mutex;
#endif

// 10 * 100000
void *func(void *arg) {

	int *pcount = (int *)arg;

	int i = 0;
	while (i++  
 

上述代码执行结果是1000000。也就是互斥锁下的执行结果等于理论值。

五、自旋锁

自旋锁的接口和mutex类似。

函数原型：

#include 
// 1. 销毁自旋锁
int   pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
// 2. 初始化自旋锁
int   pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int attr);
// 3. 自旋锁上锁(阻塞)
int   pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
// 4. 自旋锁上锁(非阻塞)
int   pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
// 5. 自旋锁解锁
int   pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
以上函数成功都返回0.

示例代码

#include 
#include 
#include 

#define THREAD_SIZE		10

#define ADD_MUTEX_LOCK	0
#define ADD_SPIN_LOCK	1

#if ADD_MUTEX_LOCK
pthread_mutex_t mutex;
#endif
#if ADD_SPIN_LOCK
pthread_spinlock_t spinlock;
#endif

// 10 * 100000
void *func(void *arg) {

	int *pcount = (int *)arg;

	int i = 0;
	while (i++  
 

上述代码执行结果是1000000。也就是自旋锁下的执行结果等于理论值。

互斥锁与自旋锁的区别：

• 互斥锁与自旋锁的接口类似，但是底层实现有一定差异。
• mutex在发现锁已经被占用时，会让出CPU资源，然后等待有解锁时唤醒去抢锁。
• spin在发现锁已经被占用时，会一直等着，直到抢到锁。

死锁，死锁的两种情况：

（1）如果两个线程先后调用两次lock，第二次调用lock时，由于锁已被占用，该线程会挂起等待别的线程释放锁，然后锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起不能释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了，进入死锁。

（2）线程1和线程2。线程1获得锁1，线程2获得锁2，此时线程1调用lock企图获得锁2，结果是需要挂起等待线程2释放锁2，而此时线程2也调用了lock企图获得锁1，结果是线程2挂起等待线程1释放锁1，进入死锁。

避免死锁：

（1）共享资源操作前一定要获得锁。

（2）完成操作以后一定要释放锁。

（3）尽量短时间地占用锁。

（4）有多锁, 如获得顺序是abc连环扣, 释放顺序也应该是abc。

（5）线程错误返回时应该释放它所获得的锁。

（6）写程序是尽量避免同时获得多个锁。如果一定要这么做，所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序获得锁，则不会出现死锁。

六、原子操作

原子操作就是用一条指令解决问题；多条执行命令变为一条执行命令，使其不可分割。

CAS，全称Compare And Swap。翻译过来就是先比较再赋值，顺序不可变；也就是先对比，如果值一致再赋值，如果不一致就不赋值。

常见的原子操作：
（1）加，add
（2）减，sub
（3）自增，inc
（4）自减，dec
（5）比较赋值，cas

注意，c语言的一条语句执行可能有副作用，但原子操作是没有副作用的。

示例代码：

#include 
#include 
#include 

#define THREAD_SIZE		10

#include 
#define TIME_SUB_MS(tv1, tv2)  ((tv1.tv_sec - tv2.tv_sec) * 1000 + (tv1.tv_usec - tv2.tv_usec) / 1000)

// 原子操作
int inc(int *value,int add) 
{
	int old;
	__asm__ volatile(
		"lock; xaddl %2, %1;"
		: "=a" (old)
		: "m" (*value),"a"(add)
		: "cc","memory"
		);

	return old;
}
// 10 * 1000000
void *func(void *arg) {

	int *pcount = (int *)arg;

	int i = 0;
	while (i++  
 

总结

对临界资源操作时，常用原子操作和锁。

锁有互斥锁、自旋锁、读写锁等，其他应用程序实现的业务锁如悲观锁、乐观锁等。

在两种情况下容易陷入死锁：

（1）线程调用两次lock，第一次已经获得锁，第二次发现锁已占用进入等待，而锁是被自己占用，进入无线等待的死锁。

（2）多个线程多个锁的情况，线程1获得锁1然后请求锁2，线程2获得锁2然后请求锁1，互相等待，进入锁。

原子操作就是通过一条指令解决问题，封装的CAS将多条执行命令变为一条执行命令，使其不可分割。