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多线程编程可以说每个程序员的基本功，同时也是开发中的难点之一，本文以Linux C为例，讲述了线程的创建及常用的几种线程同步的方式，最后对多线程编程进行了总结与思考并给出代码示例。

一、创建线程

多线程编程的第一步，创建线程。创建线程其实是增加了一个控制流程，使得同一进程中存在多个控制流程并发或者并行执行。

线程创建函数，其他函数这里不再列出，可以参考pthread.h。

#include<pthread.h> int pthread_create( pthread_t *restrict thread, /*线程id*/ const pthread_attr_t *restrict attr, /*线程属性，默认可置为NULL，表示线程属性取缺省值*/ void *(*start_routine)(void*), /*线程入口函数*/ void *restrict arg /*线程入口函数的参数*/ );

代码示例：

#include<stdio.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<pthread.h> char* thread_func1(void* arg) { pid_t pid = getpid(); pthread_t tid = pthread_self(); printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)\n", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid); char* msg = "thread_func1"; return msg; } void* thread_func2(void* arg) { pid_t pid = getpid(); pthread_t tid = pthread_self(); printf("%s pid: %u, tid: %u (0x%x)\n", (char*)arg, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid); char* msg = "thread_func2 "; while(1) { printf("%s running\n", msg); sleep(1); } return NULL; } int main() { pthread_t tid1, tid2; if (pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func1, "new thread:") != 0) { printf("pthread_create error."); exit(EXIT_FAILURE); } if (pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func2, "new thread:") != 0) { printf("pthread_create error."); exit(EXIT_FAILURE); } pthread_detach(tid2); char* rev = NULL; pthread_join(tid1, (void *)&rev); printf("%s return.\n", rev); pthread_cancel(tid2); printf("main thread end.\n"); return 0; }

二、线程同步

有时候我们需要多个线程相互协作来执行，这时需要线程间同步。线程间同步的常用方法有：

• 互斥
• 信号量
• 条件变量

我们先看一个未进行线程同步的示例：

#include<stdio.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<pthread.h> #define LEN  int num = 0; void* thread_func(void* arg) { for (int i = 0; i< LEN; ++i) { num += 1; } return NULL; } int main() { pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, NULL); char* rev = NULL; pthread_join(tid1, (void *)&rev); pthread_join(tid2, (void *)&rev); printf("correct result=%d, wrong result=%d.\n", 2*LEN, num); return 0; }

运行结果：correct result=, wrong result=.。

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【1】互斥

这个是最容易理解的，在访问临界资源时，通过互斥，限制同一时刻最多只能有一个线程可以获取临界资源。

其实互斥的逻辑就是：如果访问临界资源发现没有其他线程上锁，就上锁，获取临界资源，期间如果其他线程执行到互斥锁发现已锁住，则线程挂起等待解锁，当前线程访问完临界资源后，解锁并唤醒其他被该互斥锁挂起的线程，等待再次被调度执行。

“挂起等待”和“唤醒等待线程”的操作如何实现？每个Mutex有一个等待队列，一个线程要在Mutex上挂起等待，首先在把自己加入等待队列中，然后置线程状态为睡眠，然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程，只需从等待队列中取出一项，把它的状态从睡眠改为就绪，加入就绪队列，那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。

主要函数如下：

#include <pthread.h> int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); /*初始化互斥量*/ int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); /*销毁互斥量*/ int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

用互斥解决上面计算结果错误的问题，示例如下：

#include<stdio.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<pthread.h> #define LEN  int num = 0; void* thread_func(void* arg) { pthread_mutex_t* p_mutex = (pthread_mutex_t*)arg; for (int i = 0; i< LEN; ++i) { pthread_mutex_lock(p_mutex); num += 1; pthread_mutex_unlock(p_mutex); } return NULL; } int main() { pthread_mutex_t m_mutex; pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL); pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)thread_func, (void*)&m_mutex); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); pthread_mutex_destroy(&m_mutex); printf("correct result=%d, result=%d.\n", 2*LEN, num); return 0; }

运行结果：correct result=, result=.

如果在互斥中还嵌套有其他互斥代码，需要注意死锁问题。

产生死锁的两种情况：

• 一种情况是：如果同一个线程先后两次调用lock，在第二次调用时，由于锁已经被占用，该线程会挂起等待别的线程释放锁，然而锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起而没有机会释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了，产生死锁。
• 另一种典型的死锁情形是：线程A获得了锁1，线程B获得了锁2，这时线程A调用lock试图获得锁2，结果是需要挂起等待线程B释放锁2，而这时线程B也调用lock试图获得锁1，结果是需要挂起等待线程A释放锁1，于是线程A和B都永远处于挂起状态了。

如何避免死锁：

1. 不用互斥锁（这个很多时候很难办到）
2. 写程序时应该尽量避免同时获得多个锁。
3. 如果一定有必要这么做，则有一个原则：如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序（常见的是按Mutex变量的地址顺序）获得锁，则不会出现死锁。 （比如一个程序中用到锁1、锁2、锁3，它们所对应的Mutex变量的地址是锁1<锁2<锁3，那么所有线程在需要同时获得2个或3个锁时都应该按锁1、锁2、锁3的顺序获得。如果要为所有的锁确定一个先后顺序比较困难，则应该尽量使用pthread_mutex_trylock调用代替pthread_mutex_lock调用，以避免死锁。）

【2】条件变量

条件变量概括起来就是：一个线程需要等某个条件成立（而这个条件是由其他线程决定的）才能继续往下执行，现在这个条件不成立，线程就阻塞等待，等到其他线程在执行过程中使这个条件成立了，就唤醒线程继续执行。

相关函数如下：

#include <pthread.h> int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr); int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime); int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

举个最容易理解条件变量的例子，“生产者-消费者”模式中，生产者线程向队列中发送数据，消费者线程从队列中取数据，当消费者线程的处理速度大于生产者线程时，会产生队列中没有数据了，一种处理办法是等待一段时间再次“轮询”，但这种处理方式不太好，你不知道应该等多久，这时候条件变量可以很好的解决这个问题。下面是代码：

#include<sys/types.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h> #include<pthread.h> #include<errno.h> #include<string.h> #define LIMIT 1000 struct data { int n; struct data* next; }; pthread_cond_t condv = PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; struct data* phead = NULL; void producer(void* arg) { printf("producer thread running.\n"); int count = 0; for (;;) { int n = rand() % 100; struct data* nd = (struct data*)malloc(sizeof(struct data)); nd->n = n; pthread_mutex_lock(&mlock); struct data* tmp = phead; phead = nd; nd->next = tmp; pthread_mutex_unlock(&mlock); pthread_cond_signal(&condv); count += n; if(count > LIMIT) { break; } sleep(rand()%5); } printf("producer count=%d\n", count); } void consumer(void* arg) { printf("consumer thread running.\n"); int count = 0; for(;;) { pthread_mutex_lock(&mlock); if (NULL == phead) { pthread_cond_wait(&condv, &mlock); } else { while(phead != NULL) { count += phead->n; struct data* tmp = phead; phead = phead->next; free(tmp); } } pthread_mutex_unlock(&mlock); if (count > LIMIT) break; } printf("consumer count=%d\n", count); } int main() { pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); return 0; }

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条件变量中的执行逻辑：

关键是理解执行到int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex) 这里时发生了什么，其他的都比较容易理解。执行这条函数前需要先获取互斥锁，判断条件是否满足，如果满足执行条件，则继续向下执行后释放锁；如果判断不满足执行条件，则释放锁，线程阻塞在这里，一直等到其他线程通知执行条件满足，唤醒线程，再次加锁，向下执行后释放锁。（简而言之就是：释放锁–>阻塞等待–>唤醒后加锁返回）

上面的例子可能有些繁琐，下面的这个代码示例则更为简洁：

#include<sys/types.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h> #include<pthread.h> #include<errno.h> #include<string.h> #define NUM 3 pthread_cond_t condv = PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void producer(void* arg) { int n = NUM; while(n--) { sleep(1); pthread_cond_signal(&condv); printf("producer thread send notify signal. %d\t", NUM-n); } } void consumer(void* arg) { int n = 0; while (1) { pthread_cond_wait(&condv, &mlock); printf("recv producer thread notify signal. %d\n", ++n); if (NUM == n) { break; } } } int main() { pthread_t tid1, tid2; pthread_create(&tid1, NULL, (void*)producer, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, (void*)consumer, NULL); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); return 0; }

运行结果：

producer thread send notify signal. 1 recv producer thread notify signal. 1 producer thread send notify signal. 2 recv producer thread notify signal. 2 producer thread send notify signal. 3 recv producer thread notify signal. 3

【3】信号量

信号量适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源。用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待时，该计数值减一；当线程完成一次对semaphore对象的释放时，计数值加一。当计数值为0时，线程挂起等待，直到计数值超过0.

主要函数如下：

#include <semaphore.h> int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t * sem); int sem_destroy(sem_t * sem);

代码示例如下：

#include<sys/types.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h> #include<pthread.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<semaphore.h> #define NUM 5 int queue[NUM]; sem_t psem, csem; void producer(void* arg) { int pos = 0; int num, count = 0; for (int i=0; i<12; ++i) { num = rand() % 100; count += num; sem_wait(&psem); queue[pos] = num; sem_post(&csem); printf("producer: %d\n", num); pos = (pos+1) % NUM; sleep(rand()%2); } printf("producer count=%d\n", count); } void consumer(void* arg){ int pos = 0; int num, count = 0; for (int i=0; i<12; ++i) { sem_wait(&csem); num = queue[pos]; sem_post(&psem); printf("consumer: %d\n", num); count += num; pos = (pos+1) % NUM; sleep(rand()%3); } printf("consumer count=%d\n", count); } int main() { sem_init(&psem, 0, NUM); sem_init(&csem, 0, 0); pthread_t tid[2]; pthread_create(&tid[0], NULL, (void*)producer, NULL); pthread_create(&tid[1], NULL, (void*)consumer, NULL); pthread_join(tid[0], NULL); pthread_join(tid[1], NULL); sem_destroy(&psem); sem_destroy(&csem); return 0; }

信号量的执行逻辑：

当需要获取共享资源时，先检查信号量，如果值大于0，则值减1，访问共享资源，访问结束后，值加1，如果发现有被该信号量挂起的线程，则唤醒其中一个线程；如果检查到信号量为0，则挂起等待。

三、多线程编程总结与思考

最后，我们对多线程编程进行总结与思考。

• 第一点就是在进行多线程编程时一定注意考虑同步的问题，因为多数情况下我们创建多线程的目的是让他们协同工作，如果不进行同步，可能会出现问题。
• 第二点，死锁的问题。在多个线程访问多个临界资源时，处理不当会发生死锁。如果遇到编译通过，运行时卡住了，有可能是发生死锁了，可以先思考一下是那些线程会访问多个临界资源，这样查找问题会快一些。
• 第三点，临界资源的处理，多线程出现问题，很大原因是多个线程访问临界资源时的问题，一种处理方式是将对临界资源的访问与处理全部放到一个线程中，用这个线程服务其他线程的请求，这样只有一个线程访问临界资源就会解决很多问题。
• 第四点，线程池，在处理大量短任务时，我们可以先创建好一个线程池，线程池中的线程不断从任务队列中取任务执行，这样就不用大量创建线程与销毁线程，这里不再细述。