嵌入式操作系統(tǒng)：第9章 嵌入式Linux多線程開發(fā)

第9章嵌入式Linux多線程開發(fā)本章教學(xué)目的及要求 了解Linux的多線程概念 掌握Linux多線程相關(guān)的API 理解Linux多線程的通信機(jī)制及常用方法線程的概念進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較費(fèi)時(shí)的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線程線程的概念進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較費(fèi)時(shí)的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線程線程的概念進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較費(fèi)時(shí)的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線程線程是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度單位，也可以稱為輕量級進(jìn)程。線程是在共享內(nèi)存空間中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑，它們共享一個(gè)進(jìn)程的資源，如文件描述和信號處理。因此，大大減少了上下文切換的開銷。線程的概念進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較費(fèi)時(shí)的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線程線程是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度單位，也可以稱為輕量級進(jìn)程。線程是在共享內(nèi)存空間中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑，它們共享一個(gè)進(jìn)程的資源，如文件描述和信號處理。因此，大大減少了上下文切換的開銷。同進(jìn)程一樣，線程也將相關(guān)的變量值放在線程控制表內(nèi)。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，也就是有多個(gè)線程控制表及堆棧寄存器，但卻共享一個(gè)用戶地址空間。要注意的是，由于線程共享了進(jìn)程的資源和地址空間，因此，任何線程對系統(tǒng)資源的操作都會給其他線程帶來影響，因此，多線程中的同步就是非常重要的問題了

9.1

Linux多線程相關(guān)API

Linux有多線程開發(fā)的Pthread

庫支持。涉及多線程開發(fā)的最基本概念：線程、互斥鎖、條件。①線程操作又分線程的創(chuàng)建、退出、等待。②互斥鎖則包括4種操作：創(chuàng)建、銷毀、加鎖和解鎖。③條件操作有5種操作：創(chuàng)建、銷毀、觸發(fā)、廣播和等待。其他的一些線程擴(kuò)展概念，如信號燈等，都可以通過上面的三個(gè)基本元素的基本操作封裝出來。9.1

Linux多線程相關(guān)API線程使用線程主要包括以下幾個(gè)步驟：創(chuàng)建線程調(diào)用相關(guān)線程函數(shù)線程退出線程資源回收9.1.1線程的創(chuàng)建Pthread不是linux系統(tǒng)默認(rèn)的庫，連接時(shí)需要使用庫libthread.a執(zhí)行順序9.

1.

2

線程終止此函數(shù)用來等待一個(gè)線程的結(jié)束。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，被等待線程的資源被收回。9.1.2線程終止線程結(jié)束的兩種途徑：當(dāng)函數(shù)結(jié)束了，調(diào)用它的線程也就結(jié)束了；另一種方式是通過函數(shù)pthread_exit

來實(shí)現(xiàn)。閱讀程序?qū)懗鼋Y(jié)果9.1.3線程的標(biāo)識每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)進(jìn)程ID，每個(gè)線程也有一個(gè)線程ID，進(jìn)程ID在整個(gè)系統(tǒng)中是唯一的，但線程不同，線程ID只在它所屬的進(jìn)程環(huán)境中有效。線程ID用pthread_t數(shù)據(jù)類型來表示，實(shí)現(xiàn)的時(shí)候可以用一個(gè)結(jié)構(gòu)來代表pthread_t數(shù)據(jù)類型，所以可以移植的操作系統(tǒng)不能把它作為整數(shù)處理。1．pthread_self()函數(shù)函數(shù)用于獲取自身線程的id。其函數(shù)原型為：#include<pthread.h>pthread_t

pthread_self(void)；返回值：調(diào)用線程的線程id。2．pthread_equal函數(shù)pthread_equal函數(shù)用于測試兩個(gè)線程號ID是否相同。其函數(shù)原型為：#include<pthread.h>int

pthread_equal(pthread_ttid1,pthread_ttid2);返回值：測試兩個(gè)線程號ID是否相同。若相等返回非0值，否則返回0。函數(shù)說明：函數(shù)中的參數(shù)tid1為線程1的ID，tid2為線程2的ID。

9.1

Linux多線程相關(guān)API

Linux有多線程開發(fā)的Pthread

庫支持。涉及多線程開發(fā)的最基本概念：線程、互斥鎖、條件。①線程操作又分線程的創(chuàng)建、退出、等待。②互斥鎖則包括4種操作：創(chuàng)建、銷毀、加鎖和解鎖。③條件操作有5種操作：創(chuàng)建、銷毀、觸發(fā)、廣播和等待。其他的一些線程擴(kuò)展概念，如信號燈等，都可以通過上面的三個(gè)基本元素的基本操作封裝出來。9.2線程訪問控制解決的問題：由于線程共享進(jìn)程的資源和地址空間，因此在對這些資源進(jìn)行操作時(shí)，必須考慮到線程資源訪問的惟一性問題。主要介紹POSIX(可移植性操作系統(tǒng)接口)中線程同步的方法，主要有互斥鎖和信號量的方式。1.mutex互斥量線程控制2.信號量線程控制（1）說明mutex

是通過加鎖來控制對共享資源的存取的一種簡單方法。這個(gè)互斥量只有兩種狀態(tài)，也就是上鎖和解鎖，可以把互斥鎖看作某種意義上的全局變量。1．mutex

互斥量線程控制（1）說明mutex

是通過加鎖來控制對共享資源的存取的一種簡單方法。這個(gè)互斥量只有兩種狀態(tài)，也就是上鎖和解鎖，可以把互斥鎖看作某種意義上的全局變量。在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程掌握某個(gè)互斥量上的鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線程能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行操作。若其他線程希望上鎖一個(gè)已經(jīng)上鎖了的互斥量，則該線程就會掛起，直到上鎖的線程釋放掉互斥量上的鎖為止?？梢哉f，這把互斥鎖使得各個(gè)線程按序操作共享資源。1．mutex

互斥量線程控制（1）說明mutex

是通過加鎖來控制對共享資源的存取的一種簡單方法。這個(gè)互斥量只有兩種狀態(tài)，也就是上鎖和解鎖，可以把互斥鎖看作某種意義上的全局變量。在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程掌握某個(gè)互斥量上的鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線程能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行操作。若其他線程希望上鎖一個(gè)已經(jīng)上鎖了的互斥量，則該線程就會掛起，直到上鎖的線程釋放掉互斥量上的鎖為止?？梢哉f，這把互斥鎖使得各個(gè)線程按序操作共享資源。1．mutex

互斥量線程控制互斥鎖的操作主要包括以下幾個(gè)步驟互斥鎖初始化：

pthread_mutex_init互斥鎖上鎖：

pthread_mutex_lock互斥鎖判斷上鎖：

pthread_mutex_trylock互斥鎖解鎖：

pthread_mutex_unlock消除互斥鎖：

pthread_mutex_destroy互斥鎖分類及區(qū)別互斥鎖可以分為快速互斥鎖、遞歸互斥鎖和檢錯(cuò)互斥鎖。這三種鎖的區(qū)別主要在于其他未占有互斥鎖的線程在希望得到互斥鎖時(shí)，是否需要阻塞等待快速鎖是指調(diào)用線程會阻塞直至擁有互斥鎖的線程解鎖為止。遞歸互斥鎖能夠成功地返回并且增加調(diào)用線程在互斥上加鎖的次數(shù)。而檢錯(cuò)互斥鎖則為快速互斥鎖的非阻塞版本，它會立即返回并返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。（2）函數(shù)格式互斥鎖用pthread_mutex_t數(shù)據(jù)類型來表示，在使用互斥鎖之前，必須首先對它進(jìn)行初始化，通過調(diào)用pthread_mutex_init函數(shù)可以進(jìn)行初始化靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配的互斥鎖pthread_mutex_init函數(shù)用于初始化互斥鎖。使用默認(rèn)值初始化時(shí)為NULL對共享資源的訪問，要對互斥量進(jìn)行加鎖，如果互斥量已經(jīng)上了鎖，調(diào)用線程會阻塞，直到互斥量被解鎖。在完成了對共享資源的訪問后，要對互斥量進(jìn)行解鎖。int

pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t*mutex);函數(shù)參數(shù)：參數(shù)mutex是互斥量返回值：成功則返回0，出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號函數(shù)說明：trylock函數(shù)，這個(gè)函數(shù)是非阻塞調(diào)用模式，也就是說，如果互斥量沒被鎖住，trylock函數(shù)將把互斥量加鎖，并獲得對共享資源的訪問權(quán)限；如果互斥量被鎖住了，trylock函數(shù)將不會阻塞等待而直接返回EBUSY，表示共享資源處于忙狀態(tài)。互斥量解鎖函數(shù)#include<pthread.h>int

pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);函數(shù)參數(shù)：參數(shù)mutex是互斥量返回值：成功則返回0，出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號對互斥量解鎖，需要調(diào)用pthread_mutex_unlock.（3）使用實(shí)例main線程與thread_function交替運(yùn)行，都可以對run_now進(jìn)行操作。代表共享資源訪問run_now的function線程函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)線程主線程執(zhí)行的操作主線程執(zhí)行的操作等待子線程結(jié)束以釋放資源main線程和function線程交替運(yùn)行，兩者都可以實(shí)現(xiàn)對run_now的操作。如何實(shí)現(xiàn)對它的鎖定？為互斥量加鎖代表共享資源訪問run_now的function線程函數(shù)定義互斥量main都干了什么？初始化互斥量創(chuàng)建新線程對互斥量上鎖，上鎖成功顯示mainlockmain都干了什么？執(zhí)行循環(huán)操作給互斥變量解鎖，顯示解鎖成功收回互斥變量資源等待線程結(jié)束，釋放資源“main都干了什么？”的簡化版初始化互斥量創(chuàng)建新線程對互斥量上鎖，上鎖成功顯示mainlock執(zhí)行循環(huán)操作給互斥變量解鎖，顯示解鎖成功收回互斥變量資源等待線程結(jié)束，釋放資源簡化后的main運(yùn)行結(jié)果練習(xí)2．信號量線程控制（1）信號量說明信號量也就是操作系統(tǒng)中所用到的PV原語，它廣泛用于進(jìn)程或線程間的同步與互斥。信號量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它被用來控制對公共資源的訪問。PV原語PV原語是對整數(shù)計(jì)數(shù)器信號量sem的操作。一次P操作使sem減一，而一次V操作sem加一。進(jìn)程（或線程）根據(jù)信號量的值來判斷是否對公共資源具有訪問權(quán)限。當(dāng)信號量sem

的值大于等于零時(shí)，該進(jìn)程（或線程）具有公共資源的訪問權(quán)限；相反，當(dāng)信號量sem的值小于零時(shí)，該進(jìn)程（或線程）就將阻塞直到信號量sem的值大于等于0為止。PV原語主要用于進(jìn)程或線程間的同步和互斥這兩種典型情況。若用于互斥，幾個(gè)進(jìn)程（或線程）往往只設(shè)置一個(gè)信號量sem，它們的操作流程如圖。當(dāng)信號量用于同步操作時(shí)，往往會設(shè)置多個(gè)信號量，并安排不同的初始值來實(shí)現(xiàn)它們之間的順序執(zhí)行，它們的操作流程如圖。（2）函數(shù)說明Linux實(shí)現(xiàn)了POSIX的無名信號量（基于內(nèi)存的信號量），主要用于線程間的互斥、同步。這里主要介紹幾個(gè)常見函數(shù)。sem_init用于創(chuàng)建一個(gè)信號量，并能初始化它的值。sem_wait和sem_trywait函數(shù)用于等待共享資源，相當(dāng)于P操作，它們都能將信號量的值減一，兩者的區(qū)別在于若信號量小于零時(shí)，sem_wait將會阻塞進(jìn)程，而sem_trywait則會立即返回。sem_post相當(dāng)于V操作，它將信號量的值加一同時(shí)發(fā)出信號喚醒等待的進(jìn)程。sem_getvalue用于得到信號量的值。sem_destroy用于刪除信號量。（3）函數(shù)格式（3）函數(shù)格式（4）使用實(shí)例使用信號量實(shí)現(xiàn)對lock_var

的操作，在這里使用的是互斥操作，也就是只使用一個(gè)信號量來實(shí)現(xiàn)條件變量條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制。主要包括兩個(gè)動(dòng)作：一個(gè)線程等待“條件變量的條件成立”而掛起；另一個(gè)線程使“條件成立”（給出條件成立信號）。為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個(gè)互斥鎖結(jié)合在一起。條件變量的創(chuàng)建與注銷條件變量和互斥鎖一樣，都有靜態(tài)動(dòng)態(tài)兩種創(chuàng)建方式。靜態(tài)方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量

pthread_cond_t

cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER動(dòng)態(tài)方式調(diào)用pthread_cond_init()函數(shù)，API定義：

int

pthread_cond_init(pthread_cond_t*cond,pthread_condattr_t*cond_attr)盡管POSIX標(biāo)準(zhǔn)中為條件變量定義了屬性，但在LinuxThreads中沒有實(shí)現(xiàn)，因此cond_attr值通常為NULL，且被忽略。條件變量的創(chuàng)建與注銷注銷一個(gè)條件變量需要調(diào)用pthread_cond_destroy()只有在沒有線程在該條件變量上等待的時(shí)候才能注銷這個(gè)條件變量，否則返回EBUSY。因?yàn)長inux實(shí)現(xiàn)的條件變量沒有分配什么資源，所以注銷動(dòng)作只包括檢查是否有等待線程。API定義如下：

int

pthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond)條件變量的等待與觸發(fā)等待條件有兩種方式：無條件等待pthread_cond_wait()計(jì)時(shí)等待pthread_cond_timedwait()，其中計(jì)時(shí)等待方式如果在給定時(shí)刻前條件沒有滿足，則返回ETIMEOUT，結(jié)束等待。無論哪種等待方式，都必須和一個(gè)互斥鎖配合，以防止多個(gè)線程同時(shí)請求等待條件的競爭條件（RaceCondition）。mutex互斥鎖在調(diào)用pthread_cond_wait()前必須由本線程加鎖，而在更新條件等待隊(duì)列以前，mutex保持鎖定狀態(tài)，并在線程掛起進(jìn)入等待前解鎖。注：想要實(shí)現(xiàn)線程間的同步，需要使用互斥鎖和條件變量相互配合?；コ饬俊⑿盘柫?、條件變量Mutex互斥量，用于操作某個(gè)臨界資源時(shí)對該資源上鎖，以實(shí)現(xiàn)互斥地對獨(dú)占資源的使用。Semophore信號量，信號量內(nèi)有一計(jì)數(shù)器，可以用于對多個(gè)同類資源的分配。當(dāng)資源用完時(shí)，申請資源的線程會在信號量上睡眠，有線程釋放資源時(shí)，再將該線程喚醒繼續(xù)運(yùn)行。Condit