线程控制2
3.私有数据(一键多值技术)
多线程环境下，进程内的所有线程共享进程的数据空间，因此全局变量为所有线程公有。有些时候，需要保存线程自己的全局变量，这个全局变量仅在某个线程内有效，各个函数均可以访问该线程的私有全局变量，这个就是一键多值技术，即一个键对应多个数值。
访问数据时都是通过键值来访问，看起来是在访问一个变量，实际在访问不同的数据。
#include<pthread.h>
int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*dest_function)(void *));//创建一个键
int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *pointer);//为一个键设置线程私有数据
void *pthread_getspecific(pthread_key_t key);//从一个键读取线程私有数据
int pthread_key_delete(pthread_key_t key);//删除一个键
pthread_key_create：从Linux的TSD池中分配一项，将其赋值给key供后访问使用，第一个参数key为指向键值的指针，第二个参数为一个函数指针，如果指针不为空，则在线程退出时将以key所关联的数据为参数调用destr_function，释放分配的缓冲区。
key值一旦被创建，所有线程都可以访问他，各个线程可以根据自己的需要向key中填值，相当于提供了一个同名而不同值的全局变量，一键多值。
pthread_setspecific：该函数将pointer的值与key值相关联，用pthread_setspecific为一个键值指定新的线程函数时，线程必须先释放原有的线程数据以回收空间。
pthread_getspecific：通过该函数得到与key相关联的数据。
pthread_key_delete：该函数用来删除一个键，删除后，键所占用的内存将被释放。注意当键占用的内存被释放后，与该键关联的线程数据所占用的内存并不会被释放。因此，线程数据的释放必须在释放键之前完成。
例程
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
pthread_key_t key;
void func()
{
printf("key's value is %d\n", pthread_getspecific(key));
}
void *thread2(void *arg)
{
int tsd = 5;
printf("thread %ld is running\n", pthread_self());
pthread_setspecific(key, (void*)tsd);
printf("thread2 %ld return %d\n", pthread_self(), pthread_getspecific(key));
func();
}
void *thread1(void *arg)
{
int tsd = 0;
pthread_t thid2;
printf("thread %ld is running\n", pthread_self());
pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);
sleep(2);
printf("thread1 %ld returns %d\n",pthread_self(), pthread_getspecific(key));
func();
}
int main()
{
pthread_t thid;
printf("main thread begins running\n");
pthread_key_create(&key, NULL);
pthread_create(&thid, NULL, thread1, NULL);
sleep(3);
pthread_key_delete(key);
printf("main thread exit\n");
return 0;
}
运行结果
可以看到，每个线程在调用func函数时返回的仍然是自己线程设置的key值。
4.线程同步
4.1互斥锁
多线程通过为关键代码加锁的方式来实现线程间的同步。
互斥锁函数
#include<pthread.h>
pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);//初始化一个互斥锁
pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);//注销一个互斥锁
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//加锁，若不成功，阻塞等待
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//解锁
pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//测试加锁，若不成功立即返回，错误码为EBUSY
使用互斥锁之前必须先进行初始化操作。初始化的方式有两种，一种是静态赋值法，将宏常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER赋值给互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITILIZER;
另外一种方式就是通过pthread_mutex_init函数初始化互斥锁，函数原型如上
参数mutexattr表示互斥锁的属性，如果为NULL则使用默认属性。
初始化结束后就可以使用pthread_mutex_lock，pthread_mutex_trylock这两个函数给互斥锁加锁了。
用pthread_mutex_lock()加锁时，如果mutex已经被锁住，当前尝试加锁的线程就会阻塞，直至互斥锁被其他线程释放。当pthread_mutex_lock函数返回时，说明互斥锁已经被当前线程加锁成功。pthread_mutex_lock则不同，若mutex已经被加锁，他将立即返回，返回的错误码为EBUSY,而不是阻塞等待。
注：加锁时，无论何种类型的锁，都不可能同时被两个不同的线程同时获得，其中一个必须等待解锁。在同一进程中的线程，若加锁后没有解锁，其他线程将无法再获得该锁。
锁用完后应当解锁，使用pthread_mutex_unlock函数解锁时，要满足两个条件：一个是互斥锁必须处于加锁状态，二是调用本函数的线程必须是给互斥锁加锁的线程(即加锁前锁还在，谁加锁谁解锁)。
互斥锁使用完毕后，必须进行清除。清除互斥锁使用函数pthread_mutex_destory，函数原型如上。
清除一个互斥锁将会释放它所占用的资源。清除互斥锁时要求锁处于放开的状态。若锁处于锁定状态，函数返回EBUSY，该函数成功执行时返回0。由于在Linux中，互斥锁并不占用内存，因此pthread_mutex_destory()除了解除互斥锁的状态外再无任何作用。
例程（文件读写保护）
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#define File "output.txt"
pthread_mutex_t number_mutex;
void *pthread1(void *arg)
{
int t = 5;
while(t)
{
write_max(File);
sleep(1);
--t;
}
}
void *pthread2(void *arg)
{
int t = 5;
while(t)
{
read_max(File);
sleep(1);
--t;
}
}
void write_max(char *file)
{
unsigned long long a = 0;
int b = 0;
char timeStr[14], ch;
time_t timer;
struct tm *tblock;
time(&timer);
tblock = gmtime(&timer);
a = (tblock->tm_year+1900)*100;
a = (a+tblock->tm_mon+1)*100;
a = (a+tblock->tm_mday)*100;
a = (a+tblock->tm_hour+8)*100;
a = (a+tblock->tm_min)*100;
a = (a+tblock->tm_sec);
sprintf(timeStr, "%llu", a);
pthread_mutex_lock(&number_mutex);
FILE *fp;
fp = fopen(file, "w");
if(fp == NULL)
{
printf("Open file failed\n");
fclose(fp);
exit(1);
}
while(timeStr[b] != '\0')
{
fputc(timeStr[b], fp);
++b;
}
printf("pthread = %ld writing %s to %s\n", pthread_self(), timeStr, file);
fclose(fp);
pthread_mutex_unlock(&number_mutex);
}
void read_max(char *file)
{
char ch[14], *rc = NULL;
pthread_mutex_lock(&number_mutex);
FILE *fp;
fp = fopen(file, "r");
if(fp == NULL)
{
printf("Open file error\n");
fclose(fp);
exit(1);
}
rc = fgets(ch, 15, fp);
printf("pthread = %ld, time = %s\n", pthread_self(), ch);
fclose(fp);
pthread_mutex_unlock(&number_mutex);
}
int main()
{
pthread_t th1, th2;
pthread_create(&th1, NULL, pthread1, NULL);
pthread_create(&th2, NULL, pthread2, NULL);
sleep(6);
return 0;
}
运行结果
当程序中多个线程都要对一个文件进行读写操作的时候，为保证同步和文件安全，在一个线程对文件进行操作时必须加锁，其余要使用文件的线程先等待锁被释放后随机获得互斥锁。
(将写和读程序的加锁解锁代码都注释以后)
同时对文件操作导致未知的数据出现在文件中。
4.2条件变量
条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量宏观上类似if语句，符合条件就能执行某段程序，否则只能等待条件成立。
有点复杂哈，可以这样先看一下条件变量的意义，就知道为啥要用它了
http://www.blogjava.net/fhtdy2004/archive/2009/07/05/285519.html
使用条件变量主要包括两个动作：一个等待使用资源的线程等待“条件变量被设置为真”；另一个线程在使用完资源后“设置条件为真”，这样就可以保证线程间的同步了。这其中存在一个关键问题，就是要保证条件变量可以被正确的修改，条件变量需要收到特殊保护，实际使用中互斥锁扮演着这样一个保护者的角色。
与互斥锁一样，条件变量的初始化也有两种方式，一种是静态赋值法，将宏结构常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋予互斥锁，操作语句如下：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
另一种方式是使用函数pthread_cond_init,它的原型如下
int pthread_cond_int(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
其中cond_attr参数是条件变量的属性，由于其并没有得到实现，所以它的值通常为NULL
等待条件成立有两个函数：pthread_cond_wait和pthread_cond_timewait。它们的原型如下
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);
pthread_cond_wait 函数释放由mutex指向的互斥锁，同时使当前线程关于cond指向的条件变量阻塞，直到条件被信号唤醒。通常条件表达式在互斥锁的保护下求值，如果条件表达式为假，那么线程基于条件变量阻塞。当一个线程改变条件变量的值时，条件变量获得一个信号，使得等待条件变量的线程退出阻塞状态。
这里说一下自己的理解：
在thread_cond_wait()之前,必须先lock相关联的mutex，因为假如目标条件未满足，pthread_cond_wait()实际上会解锁(unlock)该互斥锁(mutex)，然后阻塞(block),在目标条件满足后再重新lock该mutex, 然后返回
例程
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int i = 1;
void *thread1(void *arg)
{
pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, &mutex);
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("thread1 is locking\n");
++i;
pthread_cond_signal(&cond);
printf("thread1 change the value of i, i = %d\n", i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("thread1 is unlocked\n");
sleep(4);
}
pthread_cleanup_pop(0);
}
void *thread2(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("thread2 is locking\n");
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
printf("thread2 applied the condition, i = %d\n", i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("thread2 is unlocked\n");
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t tid1, tid2;
printf("condition varable study!\n");
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread2, NULL);
sleep(30);
pthread_exit(0);
}
运行结果看一下（片段结果）
可以看到线程使用等待条件变量后，看起来是加锁状态，实则已经解锁阻塞，等待条件变量被激活。
注：函数pthread_cleanup_push 和 pthread_cleanup_pop，他们提供回调函数保护。pthread_cond_wait() 和 pthread_cond_timewait() 都被实现为取消点，因此，在该处等待的线程将立即重新运行，在重新锁定mutex 后退出 pthread_cond_wait()，然后执行取消动作。也就是说，如果 pthread_cond_wait() 被取消，mutex 将依然保持锁定状态， 那么 thread1就需要定义退出回调函数来为其解锁。
pthread_cond_timewait 函数和 pthread_cond_wait 用法类似，区别在于pthread_cond_timewait 函数将阻塞直到条件变量获得信号或者经过有abstime指定的时间，也就是说，如果在给定的时刻前条件没有被满足，则返回ETIMEOUT，结束等待。
线程被条件变量阻塞后，可通过函数pthread_cond_signal 和 pthread_cond_broadcast 激活，其函数原型如下
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_signal激活一个等待条件成立的线程，存在多个线程时，按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。
当一个条件变量不再使用时，需要将其清除。清除一个条件变量通过调pthread_cond_destory()实现，函数原型如下
int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *cond)
pthread_cond_destory 函数清除由cond指向的条件变量。注意，仅在线程没有等待该条件变量时才能清除这个条件变量，否则返回EBUSY。
4.3异步信号
在Linux操作系统中，线程是在内核外实现的，进程时在内核中实现的，Linux线程本质上是轻量型的进程。我们知道，进程间相互独立，那么进程间通信如何进行呢？这时候信号就被引入，用来保证进程间通信。一个进程通过信号通知另一个进程发生了某个事件，例如该进程所需的数据已经就绪。线程同进程一样也可以接受和处理信号，信号也是线程间同步的手段之一。
信号（如SIGINT 和 SIGIO）与任何进程都是异步的，也就是说信号到达线程的时间是不定的。如果有多个线程可以接收异步信号，则只有一个被选中。如果并发的多个同样的信号被送到一个进程，每一个将被不同的线程处理。如果所有的线程都屏蔽该信号，则这些信号将被挂起，知道有线程解除屏蔽来处理它们。
Linux多线程拓展函数中有三个函数用于处理异步信号：
int pthread_kill (pthread_t threadid, int signo);
int pthread_sigmask(int how, const sigset_t, *newmask, sigset_t *oldmask);
int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);
函数pthread_kill用来向特定的线程发送信号signo.
函数pthread_sigmask用来设置现成的信号屏蔽码，但是不允许屏蔽的Cancel信号和不允许响应的Restart信号进行了保护。
函数sigwait用来阻塞线程，等待set中指定的信号之一到达，并将到达的信号存入*sig中。
浙公网安备 33010602011771号