C++学习之线程的概念、创建以及使用实例

线程的概念

线程是执行的基本单位。每个进程至少有一个线程。

一个进程里可以存在多个线程，多个线程共享一个进程的资源。

共享的资源包括数据段、代码段和堆中的内容。

而线程私有的部分，在栈帧。每个线程拥有自己的栈帧，栈帧内的资源是线程私有的。

线程有自己的tid和自己的tcb。

创建线程

操作向用户提供了创建线程的库函数：

compile and link with -pthread
#include 
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);
功能：创建一个新的线程
参数：
thread：用于存储线程的tid
attr：null，不涉及线程的属性
start_routine:线程执行的函数
arg:指定了传递给线程执行函数的唯一参数
返回值：
success：0
error：返回错误码，thread参数的内容不确定

获取线程自己的tid
pthread_t pthread_self(void);
compile and link with -pthread.

线程的终止，汇合，分离

1、在线程函数中的return，会终止线程

2、在线程执行过程中不要使用exit(3)，会结束当前进程。

3、可以使用pthread_exit(3)，结束线程自己

4、pthread_cancel,取消一个线程

#include 
void pthread_exit(void *retval);
compile and link with -pthread.
功能：终止当前线程
参数：
retval：通过retval返回一个值，给进程中的另外一个线程使用，调用用了pthread_join(3)
返回值：
这个函数不返回给调用者
----------------------------------------------------------------------------
int pthread_cancel(pthread_t thread);
功能：给一个线程发送取消请求
参数：
thread：指定了接受请求的线程的id
返回值：
success：0
error：not0 

注意：如果线程已经被取消，另外调用pthread_join的线程，获取到的是pthread_canceled

一个线程执行结束，如果没有其他线程为它回收资源，那么这些资源就会一直被占用，直到进程结束，由系统回收。

通常一个服务程序运行起来是不会停止的，大量的僵尸线程，会导致内存泄漏。

操作系统提供了两种回收机制：

1、由其他线程来为消亡的线程回收资源。

其他线程通过一个库函数，等待需要被回收的线程消亡。如果其他线程在需要被回收的线程消亡前执行到等待函数，就会进入阻塞等待状态，直到需要被回收的线程消亡，然后回收资源，并接触阻塞，继续向下执行。这种方式叫做线程的汇合。

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能：汇合一个终止的线程
参数：
thread：指定了要汇合的线程的id
retcal：指定了存放线程退出状态码的地址
返回值：
success：0
error：返回错误编号

2、由操作系统为消亡的线程回收资源。

其他线程通过一个库函数，告诉操作系统需要回收资源的线程将由系统执行回收动作。需要回收资源的线程在结束之后，就会被系统回收。且其他线程不会产生阻塞状态。

int pthread_detach(pthread_t thread);
功能：分离一个线程
参数：
thread:指定了要分离的线程的id
返回值：
success：0
error：返回一个错误编号

线程的同步

线程的同部分为两种。

第一种：由于争抢资源而*同步

线程是异步的，且都是可以访问进程的公共资源，数据段、代码段、堆。如果两个线程同时访问一个全局变量，会出现不稳定的结果。为了保证数据的有效性，需要在线程准备访问公共资源之前占有和这个全局变量对应（这种讲法是不严谨的，一个资源和一把mutex锁的对应，是由主观决定的，并没有实际的联系）的mutex锁。对于mutex锁的操作如下：

#include 
pthread_mutex_t mutex = pthread_mutex_initializer;//静态初始化一个mutex锁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
功能：
参数：
mutex：指定要初始化的mutex
attr：null
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
功能：销毁mutex锁
参数：
mutex：指定要销毁的mutex锁
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
功能：加锁，如果锁被其他线程占用，阻塞等待。加锁成功，当前线程成为这把锁的拥有者
参数：
mutex：指定要使用的锁
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
功能：和上个函数一样，但是在锁被其他线程占用的时候，立即返回，返回错误
参数：
mutex：指定要使用的锁
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
功能：释放一把锁。在其他阻塞等待获取这把锁的线程，从中选择其一获取这把锁
参数：
mutex：指定要释放的锁
返回值：
success：0
error：错误码

第二种：线程间达成条件而同步

为了达到目的，通过条件变量来迫使线程同步。

条件变量和上述的mutex锁一样，是一种类型，由系统提供。

两个线程，线程a和b，线程a执行的时候，需要一个条件，由于条件不满足线程a阻塞等待条件成立，线程b执行，使得a等待的条件成立。这个条件就是条件变量类型的具体的变量。

条件变量的操作如下：

#include 
pthread_cond_t cond = pthread_cond_initializer;
静态初始化一个条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
功能：初始化一个条件变量，
参数：
cond：指定要初始化的条件变量
attr：null，默认属性
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
功能：销毁条件变量
参数：
cond：指定要销毁的条件变量
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
功能：等待条件的满足
参数：
cond：指定条件变量，等待为真的条件变量
mutex：指定一个mutex锁
返回值：
success：0
error：错误码

以下三步，是这个函数的功能，这三步时原子性的，无法中断。
1、释放mutex锁
2、阻塞等待条件变量为真
3、当条件变量满足的时候，获取锁。
-------------------------------------------------------------------------------------------------

#include 
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
功能：从等待条件变量变为真的线程中挑一个，接触它的阻塞。
参数：
cond：指定等待条件变量
返回值：
success：0
error：错误码
-------------------------------------------------------------------------------------------------

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
signal是发送给一个等待线程，而broadcast是发送给所有的等待线程，无论哪个线程可以接触非阻塞状态获得mutex锁都一样。

下面通过一个综合联系来演示上述函数。

这个例子种，由2个生产者和1个消费者，生产者生产数据并将数据加入到链表，消费者移除链表中的数据，一次一个。如果消费者发现链表为空，就等待生产者生产。如果生产者发现链表中数据大于等于10就停止生产，直到消费者将链表清空。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
//定义生产内容的结构体
typedef struct node{
    int data;
    struct node *next;
}node_t;
//使用链表的数据结构存储生产的物品
typedef struct node *list_t;
//将头节点初始化为空，防止野指针
list_t head = null;
//静态声明一把mutex锁
pthread_mutex_t mutex_head = pthread_mutex_initializer;
//静态声明一个条件变量
pthread_cond_t cond_consume = pthread_cond_initializer;
//静态声明一个条件变量
pthread_cond_t cond_product = pthread_cond_initializer;
//生产程序
void *product(void *arg){
    //一直生产
    while(1){
        //即将访问全局变量，上锁
        pthread_mutex_lock(&mutex_head);
        //清点一下链表中的个数
        int count = 0;
        for(node_t *temp = head;temp;temp = temp -> next)
            count++;
        //如果生产过量就停止生产
        if(count >= 10)
            pthread_cond_wait(&cond_product,&mutex_head);
        //创建一个节点
        node_t *new = (node_t *)malloc(sizeof(node_t));
        //初始化节点内容
        new -> data = rand()%1000 + 1;
        new -> next = null;
        //打印节点内容
        printf("新产生：%d\n",new -> data);
        //将新产生的节点插入到链表
        new -> next = head;
        head = new;
        //对全局变量的操作完毕，解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex_head);
        //通知正在等待的消费者，生产完毕
        pthread_cond_signal(&cond_consume);
        //随机等待
        sleep(rand()%5 + 1);
    }
}
//消费者执行程序
void *consume(void *arg){
    //一直消费
    while(1){
        //即将访问全局变量，上锁
        pthread_mutex_lock(&mutex_head);
        //如果链表空，阻塞等待生产者
        while(!head){
            //告诉一个生产者，库存消费完了
            pthread_cond_signal(&cond_product);
            //将锁释放，让生产者占有这把锁去生产，阻塞等待满足条件变量，满足后在占有锁
            pthread_cond_wait(&cond_consume,&mutex_head);
        }
        //消费
        node_t *tmp = head;
        head = head -> next;
        //消费者查看库存量
        printf("库存量：");
        for(node_t *temp = head;temp;temp = temp -> next)
            printf("%d ",temp -> data);
        printf("\n");
        //对全局变量的访问结束，释放锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex_head);
        //消费结果
        printf("已消费：%d\n",tmp -> data);
        //释放空间
        free(tmp);
        //防止出现野指针
        tmp = null;
        //随即睡眠
        sleep(rand()%5 + 1);
    }
}
int main(void){
    pthread_t pidone = 0,pidtwo = 0,cid = 0;
    //创建两个进程，一个用于生产者和消费者
    srand(time(null));
    pthread_create(&pidone,null,product,null);
    pthread_create(&pidtwo,null,product,null);
    pthread_create(&cid,null,consume,null);
    //阻塞等待线程结束
    pthread_join(pidone,null);
    pthread_join(pidtwo,null);
    pthread_join(cid,null);
    //销毁锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex_head);
    pthread_cond_destroy(&cond_consume);
}