1.線程概念

1.什么是線程

2.線程 vs 進程

不同的操作系統有不同的實現方式：

• linux ：直接使用pcb的功能來模擬線程，不創建新的數據結構
• windows： 使用新的數據結構TCB，來進行實現，一個PCB里有很多個TCB

3.資源劃分

詳情可見操作系統書籍中的存儲器管理和虛擬存儲器管理章節！！！！

4.線程理解

2.線程和進程的區別

• 黃字代表線程特有的私有數據
• 一組寄存器和上下文數據---------------證明線程是可以被獨立調用
• 棧--------------證明線程是動態的

1.進程的線程共享!!!!!!!!!!

同?地址空間,因此 Text Segment 、 Data Segment 都是共享的,如果定義?個函數,在各線程中都可以調? ,如果定義?個全局變量,在各線程中都可以訪問到, 除此之外,各線程還共享以下進程資源和環境:

• ?件描述符表 （fd)
• 每種信號的處理?式(SIG_IGN、SIG_DFL或者?定義的信號處理函數)
• 當前?作?錄
• ??id和組id

1.父子進程只有代碼段是共享的，但主線程和子線程連地址空間都是共享的，所以他們可以使用共享的函數和全局變量 （意思就是如果子線程的全局變量被修改了，主線程看到的是同一個全局變量，也會變化） 輕松實現類似進程間通信！！！！！！！
2.而全局變量在父子進程中是寫實拷貝，子變父不變 !!!!!!!!!

3.linux的線程控制

1.線程創建

創建函數：

運行后使用 ps - aL指令查看線程

2.pthread庫的引入----為什么需要有線程庫？

4.pthread庫的使用

• 與線程有關的函數構成了?個完整的系列，絕?多數函數的名字都是“pthread_”打頭的
  ? 要使?這些函數庫，要通過引?頭?件 <pthread.h>
  ? 鏈接這些線程函數庫時要使?編譯器命令的“-lpthread”選項

1.線程創建—pthread_create()

• thread是新線程的標識符，是輸出型參數（讓主線程獲取，便于調用其他函數）

2.線程等待—pthread_join()

• 這里retval拿到的是子線程的退出碼，即子線程函數的返回值，但返回值是void *
• 所以retval的類型應當是void* 的地址類型即void**

• 其中，routine是子線程的入口函數，routine函數結束的話子線程也就結束了

3.線程取消或終止—pthread_exit()/pthread_cancel()

1-----------------pthread_exit()

2-----------------pthread_cancel()

• 如果線程被主線程或其他線程取消，那么主線程join函數得到的返回值固定為-1

4.線程分離—int pthread_detach(pthread_t thread);

5.線程ID及進程地址空間布局

1.--------------------------pthread_self函數獲取id

2.--------------------------pthread庫的動態鏈接

• 所有的線程都是在thread庫中建立的，線程的管理塊都存儲在庫中，具體的pcb由用戶使用系統調用在內核中建立

• 創建線程的具體圖例

6.線程互斥

來看一個買票的例子：

/ 操作共享變量會有問題的售票系統代碼
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int ticket = 100;
void* route(void* arg) {char* id = (char*)arg;while (1) {if (ticket > 0) {usleep(1000);printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);ticket--;} else {break;}}
}
int main(void) {pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);
}

• 為了避免買票變成負數，所以要使用 鎖 來保證線程間的互斥

為什么會變成負數？？？？？？

• 因為ticket–操作并不是原子的----------即無法一步完成------要先把ticket大小傳入cpu，再在cpu中進行運算，最后再寫回ticket全局變量中--------一共有三步
• 可能某一個線程計算完后ticket為0，但還沒寫回ticket，另一個線程就又開始運行，這個時候ticket是1，還能通過if條件語句，最后兩個線程都執行ticket–，全部寫回后，ticket變成了-1！！！！

1.鎖的使用

#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int ticket = 100;
pthread_mutex_t mutex;//設置鎖----這里是全局鎖，用完后會自動銷毀
void* route(void* arg) 
{char* id = (char*)arg;while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex);//pthread_mutex_lock--------上鎖if (ticket > 0) {usleep(1000);printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);ticket--;pthread_mutex_unlock(&mutex);// pthread_mutex_unlock--------解鎖} else {pthread_mutex_unlock(&mutex);// pthread_mutex_unlock--------解鎖break;}}return nullptr;
}
int main(void) {pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// pthread_mutex_init------初始化鎖pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);//pthread_mutex_destroy-------刪除鎖
}

pthread 庫是 POSIX 線程庫，提供了多線程編程的 API，其中包括用于線程同步的鎖機制。以下是 pthread 中常見的鎖函數及其解釋：

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1. 互斥鎖（Mutex）

互斥鎖用于保護臨界區，確保同一時間只有一個線程可以訪問共享資源。

相關函數：

• pthread_mutex_init
  初始化互斥鎖。

  int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
  

  • mutex：指向互斥鎖對象的指針。
  • attr：屬性對象（通常設為 NULL 使用默認屬性）。
  • 成功返回 0，失敗返回錯誤碼。

• pthread_mutex_lock
  加鎖。如果鎖已被其他線程持有，則調用線程阻塞直到鎖被釋放。

  int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
  

• pthread_mutex_trylock
  嘗試加鎖，如果鎖已被持有則立即返回錯誤（非阻塞）。

  int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
  

  • 成功返回 0，鎖被持有時返回 EBUSY。

• pthread_mutex_unlock
  解鎖。

  int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  

• pthread_mutex_destroy
  銷毀互斥鎖，釋放資源。

  int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
  

7.線程同步

1.條件變量函數介紹

-------------------為了避免加鎖后導致線程饑餓而設置的變量

條件變量用于線程間通信，通常與互斥鎖配合使用，實現線程的等待和喚醒機制。

相關函數：

• pthread_cond_init //第二個變量基本是設置為nullptr
  初始化條件變量。

  int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
  

• pthread_cond_wait // 第二個參數是上文的互斥鎖
  等待條件變量，并釋放關聯的互斥鎖（原子操作）。

  int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
  

• pthread_cond_signal
  喚醒一個等待該條件變量的線程。

  int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
  

• pthread_cond_broadcast
  喚醒所有等待該條件變量的線程。

  int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
  

• pthread_cond_destroy
  銷毀條件變量。

  int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
  

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#define NUM 5
int cnt = 1000;pthread_mutex_t glock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 定義鎖
pthread_cond_t gcond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;   // 定義條件變量// 等待是需要等，什么條件才會等呢？票數為0，等待之前，就要對資源的數量進行判定。
// 判定本身就是訪問臨界資源！，判斷一定是在臨界區內部的.
// 判定結果，也一定在臨界資源內部。所以，條件不滿足要休眠，一定是在臨界區內休眠的!
// 證明一件事情：條件變量，可以允許線程等待
// 可以允許一個線程喚醒在cond等待的其他線程， 實現同步過程
void *threadrun(void *args)
{std::string name = static_cast<const char *>(args);while (true){pthread_mutex_lock(&glock);// 直接讓對用的線程進行等待?? 臨界資源不滿足導致我們等待的!pthread_cond_wait(&gcond, &glock); // glock在pthread_cond_wait之前，會被自動釋放掉std::cout << name << " 計算: " << cnt << std::endl;cnt++;pthread_mutex_unlock(&glock);}
}int main()
{std::vector<pthread_t> threads;for (int i = 0; i < NUM; i++){pthread_t tid;char *name = new char[64];snprintf(name, 64, "thread-%d", i);//snprintf函數往name中打印字符串int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, name);if (n != 0)continue;threads.push_back(tid);sleep(1);}sleep(3);// 每隔1s喚醒一個線程while(true){std::cout << "喚醒所有線程... " << std::endl;pthread_cond_broadcast(&gcond);// std::cout << "喚醒一個線程... " << std::endl;// pthread_cond_signal(&gcond);sleep(1);}for (auto &id : threads){int m = pthread_join(id, nullptr);(void)m;}return 0;
}

8.生產者消費者模型

• 生產者和消費者之間要有順序地進行工作，所以是同步的

基于阻塞隊列實現生產者消費者模型：

----------------什么是阻塞隊列？