嵌入式linux入门3-4-线程

线程

下表将线程与进程进行简单对比:

线程 进程
操作系统调度的最小单位 操作系统分配资源的最小单位
直接共享全局变量等资源 通过线程间通讯手段进行通讯
一个应用程序可以创建多个线程 一份程序只对应一个线程,但是线程内可以创建另一个线程(新的程序副本)
使用pthread_create创建 使用fork创建

线程特性

相比进程的优点:

  • 更加简单高效的线程间同步与通讯(直接访问全局变量来通讯,通过锁同步;而进程间的同步和通讯比较复杂,相对来说效率更低);
  • 系统调用线程所需要消耗的资源和时间远比进程要少;

相比进程的缺点:

  • 一个线程的崩溃可能导致整个程序的其他线程跟着一起完蛋,而进程崩了一个会有操作系统保护,不会波及其他进程;
  • 线程间交互的不确定性使得程序更加难以调试;

编译事项

在编写多线程程序时,需要注意以下几点:

  1. 通过包含pthread.h头文件来使用线程相关的函数;
  2. 在编译时需要定义_REENTRANT宏定义,具体原因见本节结尾的引用段落;
  3. 在链接阶段时使用-lpthread选项来链接多线程库;

比如编译由threads.c文件组成的多线程程序,我们可以这么编译:

gcc -D_REENTRANT -o threads threads.c -lpthread

以下引用自《Linux程序设计》的内容解释了为什么需要定义_REENTRANT宏定义:

在设计最初的UNIX和POSIX库例程时,人们假设每个进程中只有一个执行线程。一个明显的例子就是errno,该变量用于获取某个函数调用失败后的错误信息。在一个多线程程序里,默认情况下,只有一个errno变量供所有线程共享。在一个线程准备获取刚才的错误代码时,该变量很容易被另一个线程中的函数调用所改变。类似的问题还存在于fputs之类的函数中,这些函数通常用一个全局性区域来缓存输出数据。

为了解决这个问题,我们需要使用被称为可重入的例程。可重入代码可以被多次调用而任然正常工作,这些调用可以来自不同的线程,也可以是某种形式的嵌套调用。因此,代码中的可重入部分通常只使用局部变量,这使得每次对该代码的调用都将获得它自己的唯一的一份数据副本。

编写多线程程序时,我们通过定义宏_REENTRANT来告诉编译器我们需要可重入功能,这个宏的定义必须位于程序中的任何#include语句之前。它将为我们做3件事,并且做得非常优雅,以至于我们一般不需要直到它到底做了哪些事。

  • 它会对部分函数重新定义它们的可安全重入的版本,这些函数的名字一般不会发生改变,只是会在函数名后面添加_r字符串。例如,函数名gethostbyname将变为gethostbyname_r。
  • stdio.h中原来以宏的形式实现的一些函数将会变成可安全重入的函数。
  • 在errno.h中定义的变量errno现在将成为一个函数调用,它能够以一种多线程安全的方式来获取真正的errno值。

线程创建与销毁

使用以下函数来创建一个线程:

/**
 * 以下函数用于创建一个线程,
 * __newthread用于记录线程信息,
 * __attr用于设置线程属性(不需要可以设置为NULL),
 * __start_routine为线程开始执行的函数,__arg为传递给线程的用户参数,
 * 成功返回0,否则返回其他值并设置errno变量
 */
extern int pthread_create (pthread_t *__restrict __newthread,
               const pthread_attr_t *__restrict __attr,
               void *(*__start_routine) (void *),
               void *__restrict __arg) __THROWNL __nonnull ((1, 3));

相比于创建一个线程,销毁线程的方法有多种:

  • 线程本身调用pthread_exit()函数来终止自身执行,或者直接使用return退出线程执行函数;
  • 在其他线程中使用pthread_cancel()函数来终止特定线程;
  • 进程使用exit()函数或者直接return从main函数中退出,则这个进程中的所有线程会被销毁;

以下demo简单演示了多线程的创建和销毁:

  1. 主线程打印初始的message中的内容,然后创建了一个新线程start_thread并传入message参数,然后堵塞在pthread_join()函数上等待start_thread线程执行完成;
  2. 子线程修改message中的内容为"now Bye !"然后退出并返回"Thank you for the CPU time"字符串;
  3. 主线程打印子线程修改过的message中的内容以及子线程的返回字符串,之后进程退出;
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void *start_thread(void *arg);

char message[] = "Hello World";

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t thread;
    void *thread_result;

    /* 创建线程 */
    if (pthread_create(&thread, NULL, start_thread, (void *)message) != 0)
    {
        perror("thread create fialure - ");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 堵塞在pthread_join函数等待线程执行结束 */
    printf("Waiting for thread to finish...\n");
    if (pthread_join(thread, &thread_result) != 0)
    {
        perror("thread join failure - ");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 打印子线程执行结果并退出 */
    printf("Thread joined, it returned: %s\n", (char *)thread_result);
    printf("Message is now %s\n", message);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

void *start_thread(void *arg)
{
    printf("start_thread is running, Argument was %s\n", (char *)arg);
    sleep(3);
    strcpy(message, "Bye!");
    pthread_exit("Thank you for the CPU time");
}
# 编译指令
gcc -D_REENTRANT -g threads.c -o threads -lpthread

线程同步与互斥

线程同步的概念理解起来可能会有所困难,由于笔者有使用RTOS的经验,所以理解起来驾轻就熟,可以参考这篇文章建立同步与互斥的概念:

图解系统:互斥与同步,这篇太长了,看到理解什么是同步和互斥即可。

在linux的线程中,使用信号量来进行线程之间的同步,使用互斥量来进行线程之间的互斥。

信号量

信号量用来对线程进行同步。有时线程A需要等待线程B完成某些事项后再继续往下执行,此时便可以使用信号量在线程A和B之间进行同步。要使用linux的信号量相关的函数和数据结构,只需要包含semaphore.h头文件,以下仅仅列出最常用的信号量函数的原型,在笔记里列出函数的用法是低效且无意义的,应该善用man命令。

int sem_init (sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value);   /* 创建信号量 */
int sem_wait (sem_t *__sem);                                        /* 等待信号量 */
int sem_post (sem_t *__sem);                                        /* 发送信号量 */
int sem_destroy (sem_t *__sem);                                     /* 销毁信号量 */

互斥量

在访问共享资源时,需要使用互斥量来解决多个线程间争夺共享资源导致冲突的问题。以下列出linux常用的互斥量函数接口:

/* Initialize a mutex.  */
extern int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *__mutex,
                   const pthread_mutexattr_t *__mutexattr);

/* Destroy a mutex.  */
extern int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex);

/* Try locking a mutex.  */
extern int pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *__mutex);

/* Lock a mutex.  */
extern int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex);

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