【unix高级编程系列】线程

引言

我们知道unix进程中可以有多个线程，进程中的线程可以访问该进程的所有组成部分。并且CPU的调度单元就是线程。这就面临一个问题：当进程中的临界资源需要在多个线程中共享时，如何解决一致性问题？

本文将从线程的概念、线程的使用方式、unix提供哪些方式解决一致性问题进行介绍，加深对线程的理解。

线程概念

线程的优点：

简化代码结构。比如在业务上为每种事件类型分配单独的处理线程，可以简化处理异步事件的代码。
提高程序的吞吐量以及响应时间。
对进程的共享资源访问更加的方便。

线程的资源：

每个线程除了共享进程的所有组成部分，也包含线程执行所必须信息：线程ID、一组寄存器、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、error变量以及线程私有数据。

线程的使用

线程ID

每一个进程有一个进程ID，每个线程也有一个线程ID。我们可以通过pthread_self获取线程ID。

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);// 返回值：调用线程的线程ID

打印线程的ID，在程序调试阶段有时是非常有用的。

线程创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,const pthread_attr_t *restrict attr,void *(*start_rtn)(void*),void *restrict arg);
// 返回值：若成功返回0 ，不成功，返回错误编码

tidp。当线程创建成功后，tidp 会被设置为新创建子线程的线程ID。（《UNIX环境高级编程第3版》似乎描述错误了。）
attr参数用于设置线程的属性。比如：设置线程的栈大小（默认8MB），线程的调度策略及调度参数和优先级等。
start_rtn是新创建线程的运行开始地址。
arg 是传给子线程的参数。如果需要向子线程传递两个以上的线程，需要将这些参数放到一个结构体中，然后将这个结构体地址传入（最好是堆内容，由子线程管理，释放）。

注：线程创建时并不能保证哪个线程会先执行：是新创建的线程，还是调用线程。

如下列示例就存在隐患：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>void* my_thread(void * param)
{int num = *param; printf("param = %d\n",num);return NULL;
}int demo()
{pthread_t tidp;int num = 5;if(pthread_create(&tidp,NULL,my_thread,&num) != 0){printf("create pthread failed");}return 0;
}

分析：

demo函数创建子线程成功后，子线程中的入参param 设置为demo函数局部变量 num的地址。
此时CPU优先调度 demo，demo 函数执行完成，进行了栈回收。此时num的地址空间可能就会被修改。
CPU再次调用到子线程my_thread。此时访问num地址的内容，就与预期不符。

简单的修改方式：传入num的值。

线程终止

在进程控制章节，我们了解到在代码的任何地方调用exit、_Exit、_exit，那么整个进程就会终止。那么是否可以在不停止进程的情况下，停止对应的进程呢。unix提供了三种方式：

线程可以简单地从启动例程中返回，返回值是线程的退出码。
线程可以被同一进程中的其他线程取消。
线程调用pthread_exit。

这里着重介绍一下第二、三种方式：

#include <pthread.h>
int pthread_canncel(pthread_t tid);
// 返回值：若成功给，返回0；否则，返回错误编号

进程可以通过pthread_cancel接口向指定同进程中的线程发起退出请求。但是它并不等待线程终止。而线程可以选择忽略此请求或控制如何被取消。

#include <pthread.h>
void pthrad_exit(void *rval_ptr);int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);

线程可以通过pthread_exit接口退出线程，其中rval_ptr是退出码，其它进程可以通过pthread_join捕获退出码，但是调用线程在指定线程没有退出前，会一直处于阻塞状态。

线程清理处理程序

在进程环境章节，我们介绍到exit函数在进程退出时，会先执行终止处理程序（类似C++中的析构函数），再清理标准I/O，atexit提供了注册该处理程序的能力。类似的，线程也可以注册退出时调用的函数。

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void*), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);

注：线程清理处理程序只有两种情况下触发：

在调用pthread_exit主动退出时；
响应其他线程的取消请求时。

即：线程正常从启动例程中return 退出是不会触发线程清理处理程序。

线程分离

在进程环境章节，我们了解到子进程退出时，会在内存中保留退出状态，等待父进程通过waitpid获取，否则会一直存在，成为僵尸进程，造成资源浪费。类似的，线程退出时，也会将终止状态保存着，等待其他进程调用pthread_jion进行回收，否则同样也会造成资源浪费。

但是调用pthread_jion可能会造成调用线程一直阻塞，与我们业务设计不符。若我们对线程退出状态不关心的话，可以将其进行线程分离。若线程已经被分离，线程的底层存储资源在线程终止时立即被回收。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);

一致性问题探讨

当多个线程共享同一块内存时，就需要考虑数据一致性问题。多线程访问共享内存的场景可以分为以下几个场景。

共享变量（比如全局变量），仅由一个线程访问，其他线程不会读取和修改。这种场景就不存在问题。
多线程对共享变量只存在读取操作，不会修改。这种场景不存在问题。
当多线程访问一个共享变量，并且其中有一个以上的线程可以修改变量。则存在一致性问题。

一致性问题存在的根因：修改全局变量的操作往往不是原子操作，存在多个存储器访问周期。当其它线程读取时，可能在其修改周期内访问，则会造成读取异常值。举个例子：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
long num = 0x00000000;
void* my_thread(void * param)
{printf("num = 0x%0lx\n",num);return NULL;
}int main()
{pthread_t tidp;if(pthread_create(&tidp,NULL,my_thread,NULL) != 0){printf("create pthread failed");}num = 0xffffffff;pthread_join(tidp,NULL);return 0;
}

分析：

主进程修改num 变量，可能存在需要两个存储器周期（num正好分配在两个物理页中）。
a. 将第一个页中的num低32bit 设置为0xffff
b. 将第二物理页中的num 高32bit设置为0xffff
正如上节讨论的，CPU对线程的调用顺序是随机的，因此子线程在访问num变量时，可能是主线程刚刚更新一个物理页中的数据。此时子线程得到的值就是0x0000ffff。这是就出现了异常，num的业务含义可能只有0和0xffffffff。但是此时子线程获取到0x0000ffff,则会造成程序异常。

注：若修改操作是原子操作，就不存在竞争问题。比如C++中的原子变量，就可以避免多线程访问的一致性问题。

C语言并没有原子变量，但是unix也提供了多种方式，在多线程访问共享变量时，如何保持同步。比如互斥量、读写锁、条件变量、自旋锁、屏障。

互斥量

互斥量使用pthread_mutex_t数据类型表示。常见接口如下：

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

互斥量可以通过上述接口进行初始化。也可以静态初始化，设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

#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);

其中，若不希望线程被阻塞，可以使用pthread_mutex_trylock，互斥量若未被锁住，则返回0，并锁住互斥量；若互斥量已经被锁住，则返回EBUSY。

注：若同一个线程，连续对互斥量加锁两次以上，线程自身则会陷入死锁。并且其它线程也无法再次获取到互斥量，导致整个业务进入死锁状态。

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_mutex_timelock(pthread_mutex_t *mutex,const struct timespec *restrict tsptr);

当pthread_mutex_timelock尝试获取互斥量时，若互斥量已经被锁住，则进行阻塞。直到其它线程将互斥量释放，获取到互斥量。或达到超时，返回ETIMEDOUT。（超时指愿意等待的绝对时间，即在时间X之前可以阻塞等待，而不是等待Y秒）这就存在一个问题，若系统的时间变更了，则会出现意料之外的情况。

读写锁

读写锁和互斥量类似，不过读写锁在一些场景下，提供了更高的并行性。那是因为读写锁的特性决定的，读写锁有三种状态：

读模式加锁状态。当处于该状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程，都可以得到访问全。但是任何以写模式加锁的线程都会被阻塞。
写模式加锁状态。当处于该状态时，所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞。
不加锁状态。任何加锁请求都可以满足。

注：针对第一种状态，若当前已经处于读模式加锁状态，下一个线程写模式获取锁，会被阻塞。并且后续以读模式获取锁的线程也会被阻塞。其目的是防止读模式锁长期占用。

由于读写锁的特性，非常适合共享变量读取次数远远大于修改的场景。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

读写锁在使用之前必须初始化，在释放底层内存之前，必须要销毁。

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);    // 读模式获取锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);    // 写模式获取锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);    // 释放锁int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);    // 读模式获取锁
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);    // 写模式获取锁int pthread_mutex_timerdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_mutex_timewrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const struct timespec *restrict tsptr);

条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制，条件变量本身需要使用互斥量保护。因此两者需要一同使用。

pthread_cond_t 数据类型表示条件变量，它可以用两种方式进行初始化。

常量PTHREAD_COND_INITAIALIZER赋值给静态分配的条件变量
动态分配，再使用pthread_cond_init初始化

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t * restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutet_t *restrict mutex);int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutet_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict tsptr);

这里的互斥量是用于对条件的保护。调用者需要将锁住的互斥量传给函数，函数然后回自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，对互斥量解锁，等待条件变量满足。将这个流程分步骤理解如下：

获取互斥量
将条件变量放到等待条件的线程列表上
解锁互斥量。其它线程可以获取互斥量
线程阻塞，等待条件满足
当条件满足时，线程会再次尝试获取互斥量。

pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//伪代码如下：pthread_mutext_lock(&qlock);pthread_cond_wait(&qready,&qlock);/* 临界资源处理*/pthread_mutext_unlock(&qlock);

通知条件已满足，有两个接口。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t  *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t  *cond);

自旋锁

自旋锁与互斥量类似，但是它不是通过休眠使线程阻塞，而是在获取锁之前一致处于忙等待阻塞状态。

在CPU性能优化——“瑞士军刀“章节中，我们了解到上下文切换的概念。一旦线程阻塞进入休眠，再次运行到此线程时，需要将该线程的上下文恢复，这个切换的过程是比较耗时的。

而自旋锁的特性，决定了：若明确等待锁的时间小于上下文切换的损耗，则在性能上获得提升。因此自旋锁的使用场景有：

短时间锁定。当预计线程持有锁的时间非常短时，使用自旋锁可能更有效。因为自旋锁避免了线程切换的开销，在等待锁释放的过程中，线程仍然在运行。
多核处理器：在多核处理器上，如果锁被持有的时间很短，让等待的线程在另一个核心上自旋，可能比将其挂起和稍后重新调度更高效。
低延迟要求：在需要低延迟响应的环境中，自旋锁可以减少线程因等待锁而被挂起的时间，从而降低响应时间。
内核态同步：在操作系统内核中，自旋锁经常用于同步对共享资源的访问，因为内核通常不能承受线程切换带来的开销。
无锁数据结构：在实现无锁（lock-free）或无等待（wait-free）数据结构时，自旋锁可以作为辅助工具，帮助确保在修改数据结构时的一致性。
高性能计算：在高性能计算（HPC）应用中，为了减少同步开销，可能会使用自旋锁来同步对共享资源的访问。
频繁访问的共享资源：当共享资源被频繁访问，且每次访问的时间都很短时，自旋锁可以减少线程切换的次数，提高效率。

#include <pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int psshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

屏障

屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程达到某点，然后从该点继续执行。

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t * restrict barrier,const pthread_barrierattr_t *restrict attr,unsigned int count);int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);

其中count参数指定，在允许所有线程继续运行前，必须达到屏障的线程数目。

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);

线程在调用pthread_barrier_wait接口时，会进行屏障计数，若未满足条件，则会进入休眠状态。若该线程是最后一个调用pthread_barrier_wait接口的线程，所有线程都会被唤醒。

总结

本文主要介绍了Unix环境下多线程编程的概念、使用方式以及如何解决一致性问题。

线程概念：

线程是进程内的一个执行流，具有自己的线程ID、寄存器、栈等资源，但与同进程的其他线程共享进程资源。
线程的优点包括简化代码结构、提高程序吞吐量和响应时间，以及对共享资源的便捷访问。

线程的使用：

线程的创建、终止、清理处理程序、分离等操作方法。
线程ID的获取和使用，以及线程创建时可能出现的隐患和解决方法。

一致性问题探讨：

当多个线程共享内存时，可能存在一致性问题，特别是在多个线程对共享变量进行读写操作时。
一致性问题的根源在于修改操作的原子性不足，可能导致读取到中间状态的数据。

同步机制：

互斥量（Mutex）：用于保证同一时间只有一个线程访问共享资源。
读写锁（RWLock）：适用于读多写少的场景，提供更高的并行性。
条件变量（Cond）：与互斥量结合使用，用于线程间的条件等待和通知。
自旋锁（Spinlock）：适用于短时间锁定场景，减少线程切换开销。
屏障（Barrier）：用于协调多个线程的并行工作，使它们在某个点上同步。

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