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1、1嵌入式嵌入式Linux系统系统信息科学与技术学院信息科学与技术学院网络通信技术实验室网络通信技术实验室 张新有张新有Email：Phone：66365978zhangxyCH14:多线程编程22014/4/2第第11章章 多线程编程多线程编程Linux中线程的基本概念中线程的基本概念Linux中多线程编程中多线程编程：线程的创建及使用多线程互斥与同步线程属性的设置生产者-消费者问题本章内容本章内容：zhangxyCH14:多线程编程32014/4/211.1 Linux线程概述线程概述1.线程概念线程概念进程是系统中程序执行和资源分配的基本单位。每个进程都拥有自己的数据段、代码段和堆栈段，造
2、成进程在进行切换操作时有比较复杂的上下文切换等动作。为了进一步减少处理机的空转时间，支持多处理器及减少上下文切换开销，进程在演化中出现线程概念。它是进程内独立的一条运行路线，是处理器调度的最小单元，也称为轻量级进程。线程可对进程的内存空间和资源进行访问，并与同一进程中的其他线程共享资源。因此线程的上下文切换的开销比创建进程小很多。zhangxyCH14:多线程编程42014/4/2同进程一样，线程也将相关的执行状态和存储变量放在线程控制块(TCB)内。一个进程可以有多个线程，也就是有TCB及及堆栈寄存器堆栈寄存器，但却共享一个用户地址空间。由于线程共享了进程的资源和地址空间，任何线程对系统资源
3、的操作都会给其他线程带来影响。因此，多线程中的多线程中的同步同步是非常重要的问题是非常重要的问题!一个进程存储在处理器各寄存器寄存器中的中间数据叫做进做进程的上下文程的上下文(Context)，所以进程的切换实质上就是被中止运行进程与待运行进程上下文进程上下文的切换。在进程未占用处理器时，进程的上下文是存储在进程的私有堆栈堆栈中的。zhangxyCH14:多线程编程52014/4/2Fig 11.1 Single and Multithreaded ProcesseszhangxyCH14:多线程编程62014/4/22.线程机制的分类和特性线程机制的分类和特性(1)用户级线程用户级线程(Us
4、er Level Threads)用户级线程主要解决的是上下文切换的问题，它的调度算法和调度过程全部由用户自行选择决定，在运行时不需要特定的内核支持。操作系统往往会提供一个用户空间的线程库，该线程库提供了线程的创建、调度和撤销等功能，而内核仍然仅对进程进行管理。若一个进程中的某一线程调用了阻塞的系统调用函数，那么该进程中的其他所有线程也同时被阻塞。用户级线程的主要缺点是：在一个进程中的多个线程的调度中无法发挥多处理器的优势。Linux POSIX Pthreads为用户级线程为用户级线程。2zhangxyCH14:多线程编程72014/4/2(2)内核线程内核线程(Kernel Threads
5、)1)内核管理线程的创建与调度。这种线程允许不同进程中的线程按照同一相对优先调度方法进行调度，这样可发挥多处理器的并发优势。2)现在大多数系统都采用用户级线程与核心级线程并存的方法。一个用户级线程可对应一个或几个内核级线程，即“一对一”或“多对一”模型。这样既可满足多处理机系统的需要，也可最大限度地减少调度开销。注注：使用线程机制加快上下文切换速度且节省很多资源。但因为在用户态和内核态均要实现调度管理，所以会增加实现的复杂度和引起优先级反转可能性。多线程程序的同步设计与调试也会增加程序实现的难度。zhangxyCH14:多线程编程82014/4/2(3)轻量级进程轻量级进程(Light Wei
6、ght Processes)轻量级进程是内核支持的用户线程，是内核线程的一种抽象对象。每个用户线程拥有一个或多个轻量级线程，而每个轻量级线程轻量级线程分别被绑定在一个内核线程上。Sun Solaris支持用户线程(User Level Threads)和内核线程(Kernel threads)，并定义了轻量级进程(Light Weight Processes)。一个进程可有大量用户线程；大量用户线程复用少量的轻量级进程，不同的轻量级进程分别对应不同的内核线程。zhangxyCH14:多线程编程92014/4/2Fig 11.2 用户线程、轻量级进程和内核线程的关系zhangxyCH14:多线程
7、编程102014/4/23.Linux线程技术的发展线程技术的发展1)Linux2.2内核中并不存在真正意义的线程。Linux中常用的线程pthread实际上是通过进程来模拟的，也就是说Linux中的线程也是通过fork()创建的“轻”进程，且线程个数也很有限，最多只能有4096个进程/线程同时运行。2)Linux2.4内核消除了线程个数的限制，并且允许在系统运行中动态地调整进程数上限。采用的是LinuxThread线程库，它对应的线程模型是“一对一”线程模型，也就是一个用户级线程对应一个内核线程，而线程之间的管理在内核外的函数库函数库中实现。zhangxyCH14:多线程编程112014/4
8、/23)为了改善LinuxThread问题，需要根据新内核机制重新编写线程库。许多项目在研究如何改善Linux对线程的支持，其中两个最有竞争力:由IBM主导的新一代POSIX线程库(Next Generation POSIX Threads，简称NGPT)，该项目2002年启动，但为了避免多个Linux线程标准，2003年项目停止。由Red Hat主导的本地化POSIX线程库(Native POSIX Thread Library，简称为NPTL)。NPTL最早在RedHatLinux9中被支持，现在已经成为GNU C函数库的一部分，同时也成为Linux线程的标准。zhangxyCH14:多线
9、程编程122014/4/211.2 Linux线程编程线程编程介绍基于介绍基于POSIX线程库编程方法线程库编程方法:用户空间的线程操用户空间的线程操作作,具有很好的可移植性具有很好的可移植性。1.pthread线程创建线程创建(p282)1)创建线程实际上就是确定调用该线程函数的入口点，通常使用的函数是pthread_create()。在线程创建以后，就开始运行相关的线程函数，在该函数运行完之后，该线程也就退出，这是线程退出一种方法。另一种退出线程的方法是使用函数pthread_exit()，这是线程的主动行为。注意注意：不能使用不能使用exit()进行出错处理进行出错处理(进程进程)。3z
10、hangxyCH14:多线程编程132014/4/2由于一个进程中的多个线程共享数据段，因此通常在线程退出之后，退出线程所占用的资源并不会随着线程的终止而得到释放。正如进程之间可用wait()系统调用来同步终止并释放资源一样，线程之间也有类似机制，那就是pthread_join()函数。pthread_join()可用于将当前线程挂起来等待线程的结束。该函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源就被收回。zhangxyCH14:多线程编程142014/4/2线程调用pthread_exit()函数主动终止自身线程。但是在很多线程应用中
11、，经常会遇到在别的线程中要终止另一个线程的执行的问题。pthread_cancel()函数实现这种功能，但在被取消的线程的内部需要调用pthread_setcancel()函数和pthread_setcanceltype()函数设置自己的取消状态。例如被取消的线程接收到另一个线程的取消请求之后，是接受还是忽略这个请求；如果接受，是立刻进行终止操作还是等待某个函数的调用等。zhangxyCH14:多线程编程152014/4/2zhangxyCH14:多线程编程162014/4/2zhangxyCH14:多线程编程172014/4/2上机作业上机作业1：(11-thread.c)(p284)#in
12、clude#include#include#define THREAD_NUMBER3#define REPEAT_NUMBER5#define DELAY_TIME_LEVELS10.0void*thrd_func(void*arg)int thrd_num=(int)arg;int delay_time=0;int count=0;printf(Thread%d is startingn,thrd_num);for(count=0;count REPEAT_NUMBER;count+)delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)+
13、1;sleep(delay_time);printf(tThread%d:job%d delay=%dn,thrd_num,count,delay_time);printf(Thread%d finishedn,thrd_num);pthread_exit(NULL);zhangxyCH14:多线程编程182014/4/2int main(void)pthread_t threadTHREAD_NUMBER;int no=0,res;void*thrd_ret;srand(time(NULL);for(no=0;no THREAD_NUMBER;no+)res=pthread_create(&
14、threadno,NULL,thrd_func,(void*)no);if(res!=0)printf(Create thread%d failedn,no);exit(res);printf(Create treads successn Waiting for threads to finish.n);for(no=0;no THREAD_NUMBER;no+)res=pthread_join(threadno,&thrd_ret);if(!res)printf(Thread%d joinedn,no);else printf(Thread%d join failedn,no);return
15、 0;4zhangxyCH14:多线程编程192014/4/21)互斥锁定义互斥锁定义：用一种简单的加锁方法来控制对共享资源的原子操作原子操作。互斥锁只有两种状态：上锁和解锁上锁和解锁，可以把互斥锁看作某种意义上的全局变量。同一时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程能够对共享资源进行操作。若其他线程希望访问一个已经被上锁的互斥锁，则该线程就会挂起，直到上锁的线程释放掉互斥锁为止。互斥锁保证每个线程对共享资源按序进行原子操作。2.线程互斥锁线程互斥锁zhangxyCH14:多线程编程202014/4/22)互斥锁机制基本函数互斥锁机制基本函数。互斥锁初始化：pthread_mute
16、x_init()互斥锁上锁：pthread_mutex_lock()互斥锁判断上锁：pthread_mutex_trylock()互斥锁解锁：pthread_mutex_unlock()消除互斥锁：pthread_mutex_destroy()zhangxyCH14:多线程编程212014/4/2zhangxyCH14:多线程编程222014/4/23)互斥锁类型互斥锁类型互斥锁可以分为快速互斥锁、递归互斥锁和检错互斥锁。三种锁的区别主要在于其他未占有互斥锁的线程在希望得到互斥锁时是否需要阻塞等待？。快速互斥锁是指调用线程会阻塞直至拥有互斥锁的线程解锁为止。为默认属性递归互斥锁能够成功地返回，
17、并且增加调用线程在互斥上加锁的次数，检错互斥锁则为快速互斥锁的非阻塞版本，它会立即返回并返回一个错误信息。zhangxyCH14:多线程编程232014/4/2#include#include#include#define THREAD_NUMBER3#define REPEAT_NUMBER3#define DELAY_TIME_LEVELS10.0pthread_mutex_t mutex;void*thrd_func(void*arg)int thrd_num=(int)arg;int delay_time=0,count=0;int res;res=pthread_mutex_lock
18、(&mutex);if(res)printf(Thread%d lock failedn,thrd_num);pthread_exit(NULL);printf(Thread%d is startingn,thrd_num);for(count=0;count REPEAT_NUMBER;count+)delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)+1;sleep(delay_time);printf(tThread%d:job%d delay=%dn,thrd_num,count,delay_time);printf(Thread%d
19、 finishedn,thrd_num);pthread_exit(NULL);上机作业上机作业2(p287:11-thread_mutex.c)zhangxyCH14:多线程编程242014/4/2int main(void)pthread_t threadTHREAD_NUMBER;int no=0,res;void*thrd_ret;srand(time(NULL);pthread_mutex_init(&mutex,NULL);for(no=0;no THREAD_NUMBER;no+)res=pthread_create(&threadno,NULL,thrd_func,(void*
20、)no);if(res!=0)printf(Create thread%d failedn,no);exit(res);printf(Create treads successn Waiting for threads to finish.n);for(no=0;no THREAD_NUMBER;no+)res=pthread_join(threadno,&thrd_ret);if(!res)printf(Thread%d joinedn,no);else printf(Thread%d join failedn,no);pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread
21、_mutex_destroy(&mutex);return 0;5zhangxyCH14:多线程编程252014/4/21)信号量概念信号量概念(1)信号量就是操作系统中所用到的PV原子操作，它广泛用于进程或线程间的同步与互斥。信号量本质上是一个非负的整数计数器，被用来控制对公共资源的访问。(2)PV原子操作是对整数计数器信号量sem的操作。一次P操作使sem减一，一次V操作使sem加一。进程/线程根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限。当信号量sem的值大于等于零时，该进程/线程具有公共资源的访问权限；相反当信号量sem的值小于零时，该进程/线程就将阻塞直到信号量sem的值大于等于0
22、为止。3.信号量线程控制信号量线程控制zhangxyCH14:多线程编程262014/4/2(3)PV原子操作主要用于进程/线程间的同步和互斥这两种典型情况。若用于互斥，几个进程/线程往往只设置一个信号量sem(公有信号量)。若用于同步，每个进程/线程各设置一个信号量sem(私有信号量)。zhangxyCH14:多线程编程272014/4/2信号量的同步信号量的互斥2)信号量的互斥与同步信号量的互斥与同步zhangxyCH14:多线程编程282014/4/23)信号量线程控制函数信号量线程控制函数(1)sem_init()用于创建一个信号量并初始化它的值。(2)sem_wait()和sem_t
23、rywait()都相当于P操作，在信号量大于零时它们都能将信号量的值减一，两者的区别在于若信号量小于零时，sem_wait()将会阻塞进程，而sem_trywait()则会立即返回。(3)sem_post()相当于V操作，它将信号量的值加一，同时发出信号来唤醒等待的进程。(4)sem_getvalue()用于得到信号量的值。(5)sem_destroy()用于删除信号量。zhangxyCH14:多线程编程292014/4/2zhangxyCH14:多线程编程302014/4/2#include#include#include#include#define THREAD_NUMBER3#defi
24、ne REPEAT_NUMBER3#define DELAY_TIME_LEVELS10.0sem_t semTHREAD_NUMBER;void*thrd_func(void*arg)int thrd_num=(int)arg;int delay_time=0;int count=0;sem_wait(&semthrd_num);printf(Thread%d is startingn,thrd_num);for(count=0;count REPEAT_NUMBER;count+)delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)+1;
25、sleep(delay_time);printf(tThread%d:job%d delay=%dn,thrd_num,count,delay_time);printf(Thread%d finishedn,thrd_num);pthread_exit(NULL);上机作业上机作业3:p291:11-thread_sem.c6zhangxyCH14:多线程编程312014/4/2int main(void)pthread_t threadTHREAD_NUMBER;int no=0,res;void*thrd_ret;srand(time(NULL);for(no=0;no=0;no-)res
26、=pthread_join(threadno,&thrd_ret);if(!res)printf(Thread%d joinedn,no);else printf(Thread%d join failedn,no);sem_post(&sem(no+THREAD_NUMBER-1)%THREAD_NUMBER);for(no=0;no THREAD_NUMBER;no+)sem_destroy(&semno);return 0;zhangxyCH14:多线程编程322014/4/24.线程属性线程属性(p293)(1)绑定属性Linux中采用“一对一”的线程机制，也就是一个用户线程对应一个内核
27、线程。绑定属性就是指一个用户线程固定地分配给一个内核线程，因为CPU时间片的调度是面向内核线程的，因此具有绑定属性的线程可以保证在需要的时候总有一个内核线程与之对应。而与之对应的非绑定属性就是指用户线程和内核线程的关系不是始终固定的，而是由系统来控制分配的。zhangxyCH14:多线程编程332014/4/2(2)分离属性分离属性分离属性是用来决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在非分离情况下，当一个线程结束时，它所占用的系统资源并没有被释放，也就是没有真正的终止。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才能释放自己占用的系统资源。而在分离属性情况下，一线程结束时立即释放它
28、所占有的系统资源。要注意，若设置一个线程的分离属性，而该线程运行又非常快，那么它很可能在pthread_create()函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用。zhangxyCH14:多线程编程342014/4/2这些属性的设置都是通过特定的函数来完成的。通常首先调用pthread_attr_init()函数进行初始化，之后再调用相应属性设置函数，最后调用pthread_attr_destroy()函数对分配的属性结构指针进行清理和回收。设置绑定属性的函数为pthread_attr_setscope()，设置线程分离属性的函数为pthread_attr_s
29、etdetachstate()，获取线程优先级的函数pthread_attr_getschedparam()和设置线程优先级的函数pthread_attr_setschedparam。在设置完这些属性后，就可以调用pthread_create()函数来创建线程了。zhangxyCH14:多线程编程352014/4/2zhangxyCH14:多线程编程362014/4/27zhangxyCH14:多线程编程372014/4/2zhangxyCH14:多线程编程382014/4/2上机作业上机作业4：p295:11-thread_attr.c#include#include#include#def
30、ine THREAD_NUMBER1#define REPEAT_NUMBER3#define DELAY_TIME_LEVELS10.0int finish_flag=0;void*thrd_func(void*arg)int delay_time=0;int count=0;printf(Thread is startingn);for(count=0;count REPEAT_NUMBER;count+)delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)+1;sleep(delay_time);printf(tThread:job%d
31、 delay=%dn,count,delay_time);printf(Thread finishedn);finish_flag=1;pthread_exit(NULL);zhangxyCH14:多线程编程392014/4/2int main(void)pthread_t thread;pthread_attr_t attr;int res=0;srand(time(NULL);res=pthread_attr_init(&attr);if(res!=0)printf(Create attribute failedn);exit(res);res=pthread_attr_setscope(
32、&attr,PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);res+=pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);if(res!=0)printf(Setting attribute failedn);exit(res);res=pthread_create(&thread,&attr,thrd_func,NULL);if(res!=0)printf(Create thread failedn);exit(res);pthread_attr_destroy(&attr);printf(Create tread success
33、n);while(!finish_flag)printf(Waiting for thread to finish.n);sleep(2);return 0;zhangxyCH14:多线程编程402014/4/211.3 生产者生产者-消费者实验消费者实验1实验目的实验目的通过编写经典的“生产者消费者”问题的实验，读者可以进一步熟悉Linux中的多线程编程，并且掌握用信号量处理线程间的同步和互斥问题。zhangxyCH14:多线程编程412014/4/22实验内容实验内容“生产者消费者”问题描述如下：有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别不停地把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品
34、。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外，因为缓冲区是临界资源，所以生产者和消费者之间必须互斥执行。这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并使用信号量来解决“生产者消费者”问题中的同步和互斥问题。zhangxyCH14:多线程编程422014/4/23.问题描述和程序流程图问题描述和程序流程图8zhangxyCH14:多线程编程432014/4/2上机作业上机作业5：p298:11-producer-customer.c#include#include#include#include#include#include#include#include#def
35、ine MYFIFOmyfifo#define BUFFER_SIZE3 /*缓冲区的单元数*/#define UNIT_SIZE5 /*每个单元的大小*/#define RUN_TIME30/*运行时间*/#define DELAY_TIME_LEVELS5.0/*周期的最大值*/void*producer(void*arg);void*customer(void*arg);int fd;time_t end_time;sem_t mutex,full,avail;/*3个信号量*/zhangxyCH14:多线程编程442014/4/2void*producer(void*arg)int r
36、eal_write;int delay_time=0;while(time(NULL)end_time)delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)/2.0)+1;sleep(delay_time);/*P操作信号量avail和mutex*/sem_wait(&avail);sem_wait(&mutex);printf(nProducer:delay=%dn,delay_time);/*生产者写入数据*/if(real_write=write(fd,hello,UNIT_SIZE)=-1)if(errno=EAGAIN)printf
37、(The FIFO has not been read yet.Please try latern);else printf(Write%d to the FIFOn,real_write);/*V操作信号量full和mutex*/sem_post(&full);sem_post(&mutex);pthread_exit(NULL);zhangxyCH14:多线程编程452014/4/2void*customer(void*arg)unsigned char read_bufferUNIT_SIZE;int real_read;int delay_time;while(time(NULL)en
38、d_time)delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)+1;sleep(delay_time);/*P操作信号量full和mutex*/sem_wait(&full);sem_wait(&mutex);memset(read_buffer,0,UNIT_SIZE);printf(nCustomer:delay=%dn,delay_time);if(real_read=read(fd,read_buffer,UNIT_SIZE)=-1)if(errno=EAGAIN)printf(No data yetn);printf(Read%
39、s from FIFOn,read_buffer);/*V操作信号量avail和mutex*/sem_post(&avail);sem_post(&mutex);pthread_exit(NULL);zhangxyCH14:多线程编程462014/4/2int main()pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;pthread_t mon_th_id;int ret;srand(time(NULL);end_time=time(NULL)+RUN_TIME;if(mkfifo(MYFIFO,O_CREAT|O_EXCL)0)&(errno!=EEXIST)/*创建有
40、名管道*/printf(Cannot create fifon);return errno;fd=open(MYFIFO,O_RDWR);/*打开管道*/if(fd=-1)printf(Open fifo errorn);return fd;ret=sem_init(&mutex,0,1);/*初始化互斥信号量为1*/ret+=sem_init(&avail,0,BUFFER_SIZE);/*初始化avail信号量为N*/ret+=sem_init(&full,0,0);/*初始化full信号量为0*/if(ret!=0)printf(Any semaphore initialization
41、failedn);return ret;ret=pthread_create(&thrd_prd_id,NULL,producer,NULL);/*创建两个线程*/if(ret!=0)printf(Create producer thread errorn);return ret;ret=pthread_create(&thrd_cst_id,NULL,customer,NULL);if(ret!=0)printf(Create customer thread errorn);return ret;pthread_join(thrd_prd_id,NULL);pthread_join(thrd_cst_id,NULL);close(fd);unlink(MYFIFO);return 0;zhangxyCH14:多线程编程472014/4/2本章上机作业汇总本章上机作业汇总：参考教材第九章内容参考教材第九章内容：1)完成本章的完成本章的5个上机作业个上机作业；11-thread.c；11-thread_mutex.c；11-thread_sem.c；11-thread_attr.c；11-producer-customer.c；注意注意：1)要分析程序的运行结果2)下周之前完成。