線程控制和線程資源保護(hù)

1、線程控制和線程資源保護(hù)第十五篇線程控制和線程資源保護(hù)1、引言1）從前面的課程我們知道，每個進(jìn)程都有自己的進(jìn)程空間（也稱為虛擬內(nèi)存空間），并且在內(nèi)核中每個進(jìn)程都有屬于自己的task_struct進(jìn)程表項(xiàng)來描述自己，這個表項(xiàng)中包含一個很重要的東西，那就是虛擬地址與實(shí)際物理地址的映射表。2）每個進(jìn)程的空間的范圍都是0到4G,而且都是自己私有的，進(jìn)程間的切換，會導(dǎo)致虛擬空間的切換，需要os+mmu起實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程切換會導(dǎo)致TLB更新新的映射表，而且cahce里面的內(nèi)容也會更新。除此外還需要對被切換進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)行保存，所以實(shí)際上進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)切換的開銷（時間和空間）是非常大的，所以利用多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)多任務(wù)是比較費(fèi)力

2、的事情，但是又必須需要進(jìn)程，因?yàn)樗枰鳛橘Y源分配的最小單元而存在。正是由于進(jìn)程的這些的缺點(diǎn)，本篇我們正式引入線程的概念。2、線程（也稱為輕量級的進(jìn)程）2.1、線程基本特點(diǎn)a）線程依賴于進(jìn)程而存在，在一個進(jìn)程里面開出的多個線程共享同一進(jìn)程空間，這樣利用多線程實(shí)現(xiàn)多任務(wù)時，就能避免因?yàn)榇罅款l繁的進(jìn)程間切換而帶來的開銷。b）每個線程也同樣有一個task_truct結(jié)構(gòu)體來描述，但是共享同一進(jìn)程的所有線程共享入口地址c）進(jìn)程與線程都參與統(tǒng)一的內(nèi)核調(diào)度（切換）。d）線程的本質(zhì)就是指針函數(shù)。2.2、線程好處1）大大提高了進(jìn)程間的切換效率2）避免了不必要的TLB和cache刷新，節(jié)省了空間的消耗2.3、線

3、程的實(shí)現(xiàn)（線程控制函數(shù)）1）不由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，而是由第三方線程庫實(shí)現(xiàn)的，編譯時需要連接才行2）同一進(jìn)程內(nèi)的所有線程都會共享進(jìn)程的哪些資源呢？a）指令代碼b）靜態(tài)數(shù)據(jù)（主要是用于線程間通信用的全局變量）c）進(jìn)程打開的所有的文件描述符d）進(jìn)程的當(dāng)前工作目錄e）進(jìn)程的實(shí)際用戶ID和有效用戶IDf）實(shí)際組ID和有效組ID3）每個線程的私有資源有哪些？a）線程ID（TID）b）自己的PC（程序計(jì)數(shù)器值）和相關(guān)的狀態(tài)寄存器（存放該線程被切換時的狀態(tài)）c）自己的局部變量（每個線程其實(shí)就是一個函數(shù)），每個線程都會從進(jìn)程棧中開出自己的線程棧（也可稱為線程函數(shù)棧）d）自己的錯誤號errnoe）自己的信號掩碼（屏蔽字，

4、起初是繼承進(jìn)程（主線程）的），和未決信號集（繼承于主線程，但是會被立即清空）f）有自己的執(zhí)行狀態(tài)4）線程實(shí)現(xiàn)過程a）創(chuàng)建線程，pthread_create函數(shù)b）控制線程，pthreadoin,pthread_detach,pthread_cancle,pthread_exit等函數(shù)5）線程的資源保護(hù)我們知道，對于進(jìn)程來說資源保護(hù)是天然的，因?yàn)樗鼈儞碛歇?dú)立虛擬內(nèi)存空間，互相不能互訪，這也導(dǎo)致相互通信也很不容易。但是對于同一進(jìn)程內(nèi)的多個線程來說，由于它們共享進(jìn)程的虛擬內(nèi)存地址，因此它們相互之間可以很容易地進(jìn)行資源的共享，但是資源間的保護(hù)卻成為了一個問題。線程資源保護(hù)機(jī)制有：a）無名信號量（進(jìn)程用

5、的是有名信號量或稱為系統(tǒng)V信號量）互斥同步b）線程間的互斥鎖互斥c）條件變量一種線程間的異步通信機(jī)制，類似于進(jìn)程間的信號通信6）注意，如果主線程先死，那么所有次線程都會跟著死調(diào)，所以任何線程調(diào)了exit函數(shù)后整個進(jìn)程將會結(jié)束3、進(jìn)程與線程的異同+1程不同占心3.111+-ex5W1.kfor;1?1II.s數(shù)函載謂編a.才5.if=冽號疽忌住_需涓a間,二曰=程道號進(jìn)管宿也B為1_大_號(亠-FT護(hù)引保無中協(xié)中-I-t資鎖i麥要斥號件需互信寮1_?1匚-4LT.1!.內(nèi)管擁m.甲宀匚=-T-y.-.I.-程応P(guān)7利可I4J、相同占心里-備、使進(jìn)程電線程黔列（帖在內(nèi)核題角度）的關(guān)社實(shí)現(xiàn)多任詢到底

6、1還呈編呈要看mmu+od!M進(jìn)程間的切測毬程切換的時間需鮒概1000個指令勰：當(dāng)然還要參考叡程時信號的問題要曲蹲基卅創(chuàng)亙益牌講：多任務(wù)都是用線辭做，因?yàn)楦￠_I）所有線程共享信號處理方式，比如其中一個線程改變了信號處理方式后，大家都會共享這一改變后的信號處理方式。2）處理方式如果是捕獲的話，大家共享信號的捕獲函數(shù)3）剛開始各次線程會繼承主線程（進(jìn)程）的信號屏蔽字，每個線程擁有屬于自己的信號屏蔽字，每個線程可以通過自己的屏蔽字任意的打開和屏蔽與自己相關(guān)的某個信號。但是每個線程的未決信號集雖然會繼承主線程的，但即便主線程的未決信號集中有味覺信號，但是在次線程中的未決信號集會被全部清空4）發(fā)生的信

7、號會被發(fā)送給任意一個未屏蔽該信號的線程，如果所有線程都屏蔽了該信號，當(dāng)此信號發(fā)生時，該信號將會設(shè)置到當(dāng)前正在運(yùn)行線程的未決信號集之中，誰響應(yīng)了信號處理函數(shù)，該線程將會被這個信號捕獲函數(shù)阻塞（換句話說該信號捕獲函數(shù)和這個線程是一條線的運(yùn)行的）5、線程創(chuàng)建和取消相關(guān)的函數(shù)a）線程創(chuàng)建函數(shù)intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);b）線程等待函數(shù)：阻塞等待線程結(jié)束，結(jié)束后由主回收線程的資源intpthread_join（pthread_tthre

8、ad,void*retval）;c）線程分離函數(shù)：分離后，資源在線程結(jié)束時自己釋放，不有主線程回收intpthreaddetach(pthreadtthread);這個函數(shù)和pthreadjoin二者只能有一個被用d）主動取消線程函數(shù)intpthread_cancel(pthread_tthread);取消是否是使能設(shè)置函數(shù)：默認(rèn)情況是使能intpthread_setcancelstate(intstate,int*oldstate);PTHREAD_CANCEL_ENABLE使能(default)PTHREAD_CANCEL_DISABLE:不使能-與取消方式相關(guān)函數(shù)intpthread_s

9、etcanceltype(inttype,int*oldtype);獲取線程取消方式函數(shù)intpthreadsetcancelstate(intstate,int*oldstate);設(shè)置取消方式函數(shù)取消方式：必須運(yùn)行到取消點(diǎn)函數(shù)正常取消（調(diào)用時間長或回引起阻塞的函數(shù)都是取消點(diǎn)函數(shù)，但是胡斥鎖除外）有些阻塞函數(shù)不是取消點(diǎn)，導(dǎo)致線程長期阻塞而無法取利用PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS宏設(shè)置為強(qiáng)制取消，風(fēng)險是被取消的函數(shù)返回狀態(tài)是未定義的，PTHREAD_CANCEL_DEFERRED默認(rèn)是按照取消點(diǎn)取消，這個不設(shè)置也可以因?yàn)闆]有取消點(diǎn)而無法取消，但又不想設(shè)置為強(qiáng)制取消voi

10、dpthread_testcancel（void）,認(rèn)為設(shè)置一個可取消點(diǎn)e）線程主動退出函數(shù)1、return2、voidpthread_exit（void*retval）;這兩個函數(shù)有區(qū)別，區(qū)別后面講f）線程退出處理函數(shù)的設(shè)置1、注冊線程退出處理函數(shù)（函數(shù)壓棧）voidpthread_cleanup_push(void(*routine)(void*),void*arg);2、線程退出處理函數(shù)彈棧（參數(shù)非0就彈棧），出棧順序與入棧順序相反voidpthread_cleanup_pop(intexecute);/3、需要了解的集中情況以上兩個函數(shù)必須配對使用線程被被別人調(diào)用pthread_can

11、cel函數(shù)取消（這種情況下返回值為-1），這時即便thread_cleanup_pop函數(shù)沒有得到調(diào)用，也將會彈棧線程主動調(diào)用pthread_exit函數(shù)退出，這時同樣是即便thread_cleanup_pop函數(shù)沒有得到調(diào)用，也會彈棧。但是return函數(shù)不會，這就是pthread_exit和return之間的區(qū)別主動的調(diào)用thread_cleanup_pop（!0）,當(dāng)參數(shù)是非0時就會彈棧，一般線程return返回時，這個函數(shù)必須寫在return的前面，只有pop函數(shù)得到調(diào)用后才會彈棧g）獲取線程id（是個非負(fù)數(shù)）的函數(shù)，口的形式打印出來pthread_self（void）；6、線程屬性設(shè)

12、置函數(shù)（非教學(xué)既定內(nèi)容，了解）1）線程屬性有哪些:a）綁定屬性：用戶線程和內(nèi)核服務(wù)線程是否綁定（default:非綁定），cpu時間片的調(diào)度是面向內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)的b）分離屬性：線程結(jié)束時，線程資源由誰回收，設(shè)置了分離，就由自己釋放，未設(shè)置分離，資源由等待線程（join函數(shù)等待）回收，（default:非分離），分離屬性也可由前面的pthread_detach函數(shù)來設(shè)置c）堆棧的地址和堆棧的大小：線程的堆棧其實(shí)就是函數(shù)的堆棧，是從進(jìn)程的堆棧中刮分出來的，默認(rèn)情況下，線程具體的堆棧地址由內(nèi)核決定，堆棧大小默認(rèn)1M,當(dāng)然我也可以認(rèn)為的更改它d）線程的優(yōu)先級：由于線程是與它的生父進(jìn)程（主線程）一樣統(tǒng)一地

13、參與內(nèi)核的調(diào)度器的調(diào)度，所以存在著調(diào)度優(yōu)先級的問題，默認(rèn)情況是他和生父進(jìn)程有著同樣的優(yōu)先級別e）般情況下，我們都采用默認(rèn)設(shè)置即可2）線程屬性設(shè)置函數(shù)a）線程屬性初始化函數(shù)intpthread_attr_init(pthread_attr_t*attr);b）線程屬性刪除函數(shù)：刪除為屬性設(shè)置，恢復(fù)內(nèi)核原有默認(rèn)的屬性設(shè)置,防止永遠(yuǎn)的篡改了默認(rèn)的屬性設(shè)置intpthreadattrdestroy(pthreadattrt*attr);c）設(shè)置綁定函數(shù)intpthread_attr_setscope(pthread_attr_t*attr,intscope);/設(shè)置intpthreadattrgets

14、cope(pthreadattrt*attr,int*scope);獲取d）設(shè)置分離屬性intpthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t*attr,intdetachstate);/設(shè)置intpthreadattrgetdetachstate(pthreadattrt*attr,int*detachstate);獲取e）設(shè)置堆棧屬性/*設(shè)置*/intpthread_attr_setstack(pthread_attr_t*attr,void*stackaddr,size_tstacksize)/*獲取*/intpthread_attr_getstack

15、(pthread_attr_t*attr,void*stackaddr,size_t*stacksize)f）設(shè)置優(yōu)先級屬性/*設(shè)置*/intpthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t*attr,conststructsched_param*param);/*獲取*/intpthread_attr_getschedparam(pthread_attr_t*attr,structsched_param*param);g）其它函數(shù)等：略7、設(shè)置互斥鎖相關(guān)的函數(shù)1）互斥鎖初始化函數(shù)intpthread_mutexnit(pthread_mutex_t*rest

16、rictmutex,constpthread_mutexattr_t*restrictattr);2）互斥鎖直接初始化，只能初始化，不能賦值，因?yàn)閜thread_mutex_t是結(jié)構(gòu)體類型pthread_mutex_tmutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;3）互斥鎖銷毀函數(shù)intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);加鎖解鎖函數(shù)阻塞解鎖：intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);非阻塞加鎖：intpthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t

17、*mutex);解鎖：intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);互斥鎖屬性設(shè)置函數(shù)(非教學(xué)內(nèi)容,了解)互斥鎖屬性初始化和刪除/*屬性初始化*/intpthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t*attr);/*互斥所屬性刪除：類似線程的屬性刪除*/intpthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t*attr);互斥鎖類型設(shè)置和獲取互斥鎖類型分類：PTHREAD_MUTEX_DEFAULT:快速互斥鎖(或叫阻塞互斥鎖)，默認(rèn)此種鎖，統(tǒng)一把鎖，不能多次加鎖，已經(jīng)

18、解開了的鎖也不能再次解鎖，這些都會出錯返回PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK:檢錯互斥鎖，快速互斥鎖的費(fèi)阻塞版本PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE:遞歸互斥鎖，同一把鎖可多次枷鎖，每加一次鎖，鎖的連接計(jì)數(shù)加1,解鎖時的解鎖順序與加鎖順序相反，每解一次連接技術(shù)減1，加過多少次鎖，就必須接多少次intpthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t*attr,inttype);/設(shè)置intpthread_mutexattr_gettype(constpthread_mutexattr_t*restrictattr,int*rest

19、ricttype);/獲取其它還有大概十幾個函數(shù)，這里省略7、設(shè)置線程信號量相關(guān)的函數(shù)1)初始化函數(shù)intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);2)刪除函數(shù)intsem_destroy(sem_t*sem);P操作：等資源intsem_wait(sem_t*sem);阻塞等待資源intsem_trywait(sem_t*sem);非阻塞等待資源/*可設(shè)置超時，阻塞超過一定時間，超時不在阻塞*/intsem_timedwait(sem_t*sem,conststructtimespec*abs_timeout);v操作：釋放資源intse

20、m_post(sem_t*sem);信號量無屬性設(shè)置8、條件變量設(shè)置1)初始化和刪除函數(shù)/*初始化條件變量*/intpthread_cond_init(pthread_cond_t*restrictcond,constpthread_condattr_t*restrictattr);intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond)/刪除條件變量pthreadcondtcond=PTHREADCONDINITIALIZER;/直接變量初始化(不能賦值)2)條件變量發(fā)送信號函數(shù)/*喚醒全部因?yàn)樵摋l件變量而休眠的線程*/intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);/*喚醒其中一個因?yàn)樵摋l件變量而休眠的線程*/intpthrea