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Linux多线程并发运行原理+代码例程详解
发布日期：2021-05-08 17:16:03 浏览次数：24 分类：精选文章

本文共 11474 字，大约阅读时间需要 38 分钟。

文章目录

线程创建和退出

原理

在这里插入图片描述

代码

交叉编译

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      /*thread1*/void thread1(void){       int i = 0;    for(i = 0; i < 6; i++) {           printf("This is a pthread1. \n");        if(i == 2){               pthread_exit(0);        }        sleep(1);    }}/*thread2*/void thread2(void){       int i;    for(i = 0; i < 3; i++){           printf("This is a pthread2. \n");       }    pthread_exit(0);}/*main*/int main(void){       pthread_t id1, id2;    int i,ret;    /*create thread1*/    ret = pthread_create(&id1, NULL, (void *) thread1, NULL);    if(ret != 0){           printf("Create pthread1 error!\n");        exit(1);    }    /*create thread2*/    ret = pthread_create(&id2, NULL, (void *) thread2, NULL);    if(ret != 0) {           printf("Create pthread2 error!\n");        exit(1);    }    /*wait for thread to end*/    pthread_join(id1, NULL);    pthread_join(id2, NULL);    exit(0);    return 0;}

执行

$CC thread_test.c

结果报错

在这里插入图片描述
出现编译错误undefined reference to ‘pthread_create’。由于pthread库不是标准linux库， 所以出错。 找不到函数库，通过静态调用，-lpthread，就可以编译通过

$CC thread_test.c -o thread_test.0 -lpthread

在这里插入图片描述

然后通过scp命令发送可执行文件到开发板

scp thread_test root@192.168.0.232:/tmp

在这里插入图片描述

结果

在开发板中执行

在这里插入图片描述

线程属性修改

原理

在这里插入图片描述

代码

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       /*thread1*/void thread1(void){       int i = 0;    for(i = 0; i < 6; i++) {           printf("This is a pthread1. \n");        if(i == 2){               pthread_exit(0);        }        sleep(1);    }}/*thread2*/void thread2(void){       int i;    while(1){           for(i = 0; i < 3; i++){               printf("This is a pthread2. \n");              sleep(1);         }    }        /* void pthread_exit(void *retval)     * Retval：pthread_exit()调用者线程的返回值，可由其他函数如pthread_join 来检索获取      */    pthread_exit(0);}/*main*/int main(void){       pthread_t id1, id2;    int i,ret;    pthread_attr_t attr;    /*初始化线程 */    pthread_attr_init(&attr);    /*设置线程绑定属性*/    pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);    /*设置线程分离属性*/    pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);    /* create thread1 创建线程     * int pthread_create ((pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void *), void *arg))      * thread：线程标识符     * attr：线程属性设置     * start_routine：线程函数的起始地址     * arg：传递给start_routine的参数     * return：成功：0 出错：-1     */    ret=pthread_create(&id1,&attr,(void *) thread1,NULL);    if(ret != 0){           printf("Create pthread1 error!\n");        exit(1);    }    /*create thread2*/    ret = pthread_create(&id2, NULL, (void *) thread2, NULL);    if(ret != 0) {           printf("Create pthread2 error!\n");        exit(1);    }    /*wait for thread to end*/    /* int pthread_join ((pthread_t th, void **thread_return))     * th：等待线程的标识符     * thread_return：用户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值（不为NULL时）     * return：成功：0 出错：-1     */    // pthread_join(id1, NULL);                                        // pthread_join将当前线程挂起，等待线程的结束    pthread_join(id2, NULL);    // exit(0);                                                        // 所有线程都终止    return 0;}

这次不放在嵌入式开发板上运行了，所以就用gcc编译了

gcc thread_test2.c -o thread_test2 -lpthread

结果

直接在wsl中运行编译好的可执行文件thread_test2

在这里插入图片描述
因为有个while死循环的存在，所以程序就会一直运行下去，我们ctrl+c来结束打印，然后输入free

使用“free”命令查看内存使用情况

这是程序运行之前的内存使用情况uesd

在这里插入图片描述
这是程序运行之后的内存使用情况used
在这里插入图片描述

互斥锁

原理

在这里插入图片描述

代码

/* * 使用互斥锁来实现对变量lock_var 的加一、打印操作 */#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 创建快速互斥锁int lock_var;time_t end_time;void pthread1(void *arg);void pthread2(void *arg);int main(int argc, char *argv[]){ pthread_t id1,id2; pthread_t mon_th_id; int ret; end_time = time(NULL) + 10; /* 互斥锁初始化 * int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr) * Mutex：互斥锁 * Mutexattr:PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：创建快速互斥锁;PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建递归互斥锁;PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建检错互斥锁 * return：成功：0 出错：-1 */ pthread_mutex_init(&mutex, NULL); /*创建两个线程*/ ret = pthread_create(&id1, NULL, (void *)pthread1, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread1"); } ret = pthread_create(&id2, NULL, (void *)pthread2, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread2"); } pthread_join(id1, NULL); pthread_join(id2, NULL); exit(0);}void pthread1(void *arg){ int i; while(time(NULL) < end_time){ /* * int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex,) int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex,) int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex,) int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex,) * Mutex：互斥锁 * return:成功：0 出错：-1 */ /*互斥上锁*/ if(pthread_mutex_lock(&mutex) != 0){ perror("pthread_mutex_lock"); }else{ printf("pthread1:pthread1 lock the variable\n"); } for(i = 0; i < 0; i++){ sleep(1); lock_var++; } /*互斥锁解锁*/ if(pthread_mutex_unlock(&mutex) != 0){ perror("pthread_mutex_unlock\n"); }else{ printf("pthread1:pthread1 unlock the variable\n"); } sleep(1); }}void pthread2(void *arg){ int nolock = 0; int ret; while(time(NULL) < end_time){ /*测试互斥锁*/ ret = pthread_mutex_trylock(&mutex); if(ret == EBUSY){ printf("pthread2:the variable is locked by pthread1\n"); }else{ if(ret != 0){ perror("pthread_mutex_trylock"); exit(1); }else{ printf("pthread2:pthread2 got lock. The variable is %d\n", lock_var); } /*互斥锁解锁*/ if(pthread_mutex_unlock(&mutex) != 0){ perror("pthread_mutex_unlock"); }else{ printf("pthread2:pthread2 unlock the variable\n"); } } sleep(3); }}

代码是什么意思呢？

在这里插入图片描述
两个线程并发，线程一定时while循环，锁定时候线程二检测到上锁然后不运行服务函数，检测到解锁后运行服务函数输出

编译代码

在这里插入图片描述

结果

运行可执行文件

在这里插入图片描述

信号量线程控制原理

在这里插入图片描述

使用信号量线程互斥

使用同一个信号量sem，sem初始值设置为0，进程一执行P操作，sem-1=-1，所以该进程就将阻塞直到信号量sem大于等于0为止。

代码

/* * 信号量线程控制 */#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          #include 
          
           int lock_var;time_t end_time;sem_t sem;void pthread1(void *arg);void pthread2(void *arg);int main(int argc, char *argv[]){ pthread_t id1, id2; pthread_t mon_th_id; int ret; end_time = time(NULL) + 30; /*初始化信号量为1*/ ret = sem_init(&sem, 0, 1); if(ret != 0){ perror("sem_init"); } /*创建两个线程*/ ret = pthread_create(&id1, NULL, (void *)pthread1, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread1"); } ret = pthread_create(&id2, NULL, (void *)pthread2, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread2"); } pthread_join(id1, NULL); pthread_join(id2, NULL); exit(0);}void pthread1(void *arg){ int i; while(time(NULL) < end_time){ /*信号量减一,p操作*/ sem_wait(&sem); for(i = 0; i < 2; i++){ sleep(1); lock_var++; printf("lock_var = %d\n", lock_var); } printf("pthread1:lock_var = %d\n", lock_var); /*信号量加一，v操作*/ sem_post(&sem); sleep(1); }}void pthread2(void *arg){ int nolock = 0; int ret; while(time(NULL) < end_time){ /*信号量减一，p操作*/ sem_wait(&sem); printf("pthread2:pthread1 got lock; lock_var = %d\n", lock_var); /*信号量加一，v操作*/ sem_post(&sem); sleep(3); }}

在这里插入图片描述

结果

运行结果如图所示

在这里插入图片描述

在输出的结果中，可以很清晰的看到，进程一执行了P操作后，线程二就被阻塞了不能执行，等待线程一执行完for循环过了2s之后，线程一执行V操作，sem=0，然后再等待一秒钟

sem现在大于等于0，所以该进程具有公共资源的访问权限，线程二可以执行V操作修改sem的值了，sem=-1，线程之间又发生了互斥，线程二执行输出，然后sleep 3秒钟。

使用信号量线程同步

在这里插入图片描述

代码

/* * 通过两个信号量来实现两个线程间的同步 * 程序先运行线程二，再运行线程一 */#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          int lock_var;time_t end_time;sem_t sem1, sem2;void pthread1(void *arg);void pthread2(void *arg);int main(int argc, char *argv[]){ pthread_t id1, id2; pthread_t mon_th_id; int ret; end_time = time(NULL) + 30; /*初始化两个信号量，一个信号量为1，一个信号量为0*/ ret = sem_init(&sem1, 0, 1); ret = sem_init(&sem2, 0, 0); if(ret != 0){ perror("sem_init"); } /*创建两个线程*/ ret = pthread_create(&id1, NULL, (void *)pthread1, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread1"); } ret = pthread_create(&id2, NULL, (void *)pthread2, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread2"); } pthread_join(id1, NULL); pthread_join(id2, NULL); exit(0);}void pthread1(void *arg){ int i; while(time(NULL) < end_time){ /*P操作信号量sem2 = 0 信号量-1*/ sem_wait(&sem2);//现在sem2=-1，该线程阻塞，直到sem2的值大于等于零为止，也就是进程二执行V操作sem2=0 for(i = 0; i < 2; i++){ sleep(1); lock_var++; printf("lock_var = %d\n", lock_var); } printf("pthread1:lock_var = %d\n", lock_var); /*V 操作信号量sem1 = 0 +1*/ sem_post(&sem1);//sem1 = 1 sleep(1); }}void pthread2(void *arg){ int nolock = 0; int ret; while(time(NULL) < end_time){ /*P 操作信号量sem1 = 1 信号量-1*/ sem_wait(&sem1);//现在sem1=0 该线程具有公共资源的访问权限，执行 printf("pthread2:pthread1 got lock; lock_var = %d\n", lock_var); /*V 操作信号量sem2 = -1 +1*/ sem_post(&sem2);//现在sem2=0，所以线程一就可以运行了 sleep(3); }}

结果

从以下结果中可以看出，该程序确实实现了先运行线程二，再运行线程一。

在这里插入图片描述

小结分析

对于线程一和线程二都在3s 的一个周期内进行并行的操作，因为有两个信号量，所以可以分别控制

在这里插入图片描述

在第一个时间中，sem2 = -1，sem1 = 0；所以线程二可以执行，线程一此时被阻塞， 需要等待sem2 >= 0 的状态。线程二执行了自己的输出pthread2:pthread1 got lock; lock_var = 0，然后执行V操作，sem2 = 0，这时候线程一满足了执行的条件，执行设定的输出lock_var = 1。这时候线程二也在运行，执行sleep(3)，也就是延迟3s，只是这个过程没有了其他的输出。

在第二个时间中，因为满足了sem2 >= 0 的条件，所以继续执行lock_var = 2，并且结束了for循环，执行输出pthread1:lock_var = 2，而于此同时线程二依然在sleep中。

在第三个时间中，线程一执行了V操作，sem1 = 1，时间也来到了第三秒，一个时间周期完成。

“生产者消费者”实验

问题分析

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

代码

/* * 有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别把产品放入缓冲区和从缓冲   区中拿走产品。当一个生产者在缓冲区满时必须等待，当一个消费者在缓冲区空时页必须等   待。 * 这里使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之   间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail初始化为N（有界缓冲    区的空单元数），mutex 初始化为1，full初始化为0。 */#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        #include 
        
         #include 
         
          #include 
          
           #include 
           
            #include 
            
             #include 
             
              #define FIFO "myfifo"#define N 5int lock_var = 0;int fd;char buf_r[100];sem_t mutex, full, avail;time_t end_time;void productor(void *arg);void consumer(void *arg);void pthread1(void *arg);void pthread2(void *arg);/*主函数*/int main(int argc, char *argv[]){ pthread_t id1, id2; pthread_t mon_th_id; int ret; end_time = time(NULL) + 30; /*创建有名管道*/ if((mkfifo(FIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) && (errno != EEXIST)){ printf("cannot create fifoserver\n"); } printf("Preparing for reading bytes...\n"); memset(buf_r, 0, sizeof(buf_r)); /*打开管道*/ fd = open(FIFO, O_RDWR|O_NONBLOCK, 0); // 新建文件myfifo if(fd == -1){ perror("open"); exit(1); } /*初始化互斥信号量为1*/ ret = sem_init(&mutex, 0, 1); /*初始化avail信号量为N*/ ret = sem_init(&avail, 0, N); /*初始化full信号量为0*/ ret = sem_init(&full, 0, 0); if(ret != 0){ perror("sem_init"); } /*创建两个线程*/ ret = pthread_create(&id1, NULL, (void *)productor, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread1"); } ret = pthread_create(&id2, NULL, (void *)consumer, NULL); if(ret != 0){ perror("pthread cread2"); } pthread_join(id1, NULL); pthread_join(id2, NULL); exit(0);}/*生产者线程*/void productor(void *arg){ int i, nwrite; while(time(NULL) < end_time){ /*P操作信号量avail和mutex*/ sem_wait(&avail); // avail= N-1 sem_wait(&mutex); // mutex= 1-1 =0 /*生产者写入数据*/ if((nwrite = write(fd, "hello", 5)) == -1){ // 字符数据“hello”写入到fd文件中 if(errno == EAGAIN){ printf("The FIFO has not been read yet. Please try later\n"); } }else{ printf("write hello to the FIFO\n"); } /*V操作信号量full和mutex*/ sem_post(&full); // full = -1+1 = 0 消费者线程可以运行了 sem_post(&mutex); // mutex = 0+1 = 1 sleep(1); }}/*消费者线程*/void consumer(void *arg){ int nolock = 0; int ret, nread; while(time(NULL) < end_time){ /*P操作信号量full和mutex*/ sem_wait(&full); // full = 0-1 = -1 阻塞等待生产者写入完成 full>=0 sem_wait(&mutex); // mutex = 1-1 = 0 memset(buf_r, 0, sizeof(buf_r)); // buf_r 置零 if((nread = read(fd, buf_r, 100)) == -1){ // 读取fd中消费者写入的数据到buf_r中 if(errno == EAGAIN){ printf("no data yet\n"); } } printf("read %s from FIFO\n", buf_r); // 输出buf_r /*V操作信号量avail和mutex*/ sem_post(&avail); // avail = N sem_post(&mutex); // mutex = 0+1 = 1 sleep(1); }}

结果分析

编译之后执行，得到了预期的结果

在这里插入图片描述

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[***.116.15.85]2025年04月17日 09时57分33秒

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