线程的通俗解释

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author:     hjjdebug
date:       2024年 03月 17日 星期日 17:04:47 CST
descpriton: 线程的通俗解释
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目录:

1. 什么是线程? 
2. 线程函数长得什么样? 
3. 为什么要使用线程.
4. 线程控制.
 4.0 线程的执行和挂起
 4.1: 线程中的互斥操作
 4.2: 线程中的同步操作
 4.3: 为什么不用全局变量作线程间控制变量?
 4.4: 全局变量在线程同步或互斥中没有立足只地吗?
 4.5: 线程的创建与销毁
 

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1. 什么是线程? 
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线程是对象吗? 线程不是对象, 对象是一个数据结构变量,对应一块数据内存.
线程是函数吗? 线程不是普通意义下的函数, 但它也是函数.
线程是代码吗? 线程是代码. 线程执行就是执行线程函数中的代码.

那线程函数与普通函数又有什么区别呢?
线程函数形式上是void* thread_func(void *) 形式.
当该函数被创建线程函数 pthread_create(&threadID, NULL, thread_func, NULL) 引用时, 它就成了线程函数.
线程函数就是被cpu 要调度执行的函数.

通常意义下的函数往往是主线程下的函数, 我们经常书写这样的函数而对它没有感觉.

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2. 线程函数长得什么样? 
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如下示例.
void * thread_func(void *args)
{
    while(1)
    {
        wait_signal();
        ....
        if(stop) break;
    }
    return NULL;
}

线程函数通常都有一个while循环(或类似于while循环), 因为一旦它退出循环,就意味着线程的终结.

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3. 为什么要使用线程.
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 因为用线程可以实现并发执行. 提高效率.
 同时还可以有其它一些用途.
 想一想, 原来是一个人干活, 现在能n个人干活, 是不是很兴奋呢!
 例如: 蚂蚁下载, 下载一个大文件,一只蚂蚁要下很长时间, n只蚂蚁把大文件分成n块协同下载,很快就下载完成了.

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 4. 线程控制.
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 一个线程相当于一个人,多个线程相当于多个人.
 一个人可以有条不紊的按先后次序干活, 多个人就必需要分工协作,否则就会乱套.

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 4.0 线程的执行和挂起
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 当要执行一个线程时,一个重要的概念是它应该被执行还是应该休息. 
 当条件满足时,它应该被执行,
 当条件不满足时,它应该被挂起.
 用代码来表示:
 if(ready)  // 条件ready
 {
     running;  //线程被执行
 }
 else
 {
     sleep;   // 线程被挂起
 }
  
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4.1: 线程中的互斥操作
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  其本质是只有一个线程在运行敏感代码,其余线程运行到此处都会被挂起.
  在线程控制中, 用全局变量有很多毛病(一会讲清), 而应该用操作系统原语. 就是说应该用操作系统给你提供的变量.
  其中之一是互斥变量mutex , 互斥变量主要是用来实现线程间的代码互斥.
  线程互斥量的典型用法:
  Mutex v_mutex; // 声明一个Mutex 变量 v_mutex
  v_mutex.lock() // 要进入敏感代码,先申请锁,申请到了我就执行, 申请不到就让我sleep.
  critical_code();  //保证这块代码仅有一个线程可以执行
  v_mutex.unlock(); //代码执行完要释放锁, 这样别的线程才可能得到资源来执行这块代码

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4.2: 线程中的同步操作
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  其本质还是线程的运行和挂起来完成. 得不到资源的被挂起实现执行顺序.
  线程的同步原语是sem_t; 
  其典型用法是:
  sem_t v_sem; //semphore 就是一个计数器.
  sem_init(&v_sem,0,1); //第2个参数0表示它不是进程共享,而是线程共享,第3个参数表示semphore的初始值

  sem_wait(&v_sem); //申请一个资源, 申请到了执行,申请不到资源会被挂起.
  sem_post(&v_sem); //释放一个资源
  申请资源相当于P操作,释放资源相当于V操作, 这就是典型的共享资源的PV操作.

  线程同步典型的例子就是生产者,消费者的例子. 生产者一定要在消费者的前面执行.
  同样,医生作手术次序也很重要, 
  第一步,把病人抬上手术台. 
  第二步,把手术刀放到医生手上.
  第三步,医生开始做手术.

  次序错了或者缺了哪一步, 那医生还做个鬼啊!

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4.3: 为什么不用全局变量作线程间控制变量?
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  说实话, 互斥量就是一个布尔值, 信号量就是一个整形值(给1也能起互斥量的作用), 用全局变量不可以替代吗?
  不可以,主要是因为对全局变量的操作不是原子操作, 所谓原子操作就是一口气干完, 从汇编的角度看,有时候甚至
  关闭中断, 专门干你那点活,然后再开中断. 总之就是保证不被打扰的意思.
  举个火车站售票的例子吧, 当你要满G158 石家庄到北京车票,车票还有一张, 此时另一个窗口也有一个顾客买G158车票石家庄到北京
  用全局变量
  if(tick_count>0)
  {
   tick_count--;
  }
 你这个线程看到tick_count 为1, 你付款了,当你把tick_count 变量拿起来,准备减1时,线程被切换走了.
 另一个窗口的线程也看到了tick_count=1, 所以它把票卖走了, 线程又切回到你这里,你继续执行减1,你也拿到了最后这张票.
 问题出在哪? 一张票卖给了2个人! 就在于这个tick_count--不是原子操作, 还没有干好呢,被切换走了.
 如果用set_t 就不会有这种事.
 sem_wait(sem_count); // 拿到了这个资源, 你就可以干你的事,拿不到,线程就被挂起来了,不会出现竞争.

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 4.4: 全局变量在线程同步或互斥中没有立足只地吗?
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 也不是, 它只能做简单的同步与互斥操作, 不会被线程同时操作到的那一种.
 例如: 象棋对弈,红先黑后,轮流行棋. 只有2个线程,
 初始化: red_flag=1, black_flag=0;
 红棋:
 while(1)
 {
     if(red_flag)
     {
       行棋;
       red_flag=0;   //之所以可以用全局变量,是因为对red_flag,black_flag 的操作
       black_flag=1; // 两个线程根本不可能同时操作到同一个变量. 因为红方在操作时,黑方在睡眠
     }                // 同理,黑方在操作者两个变量时,红方在睡眠,所以不会引起冲突!
     else
     {
      sleep(1);
     }
  }
 黑棋:
 while(1)
 {
     if(black_flag)
     {
       行棋;
       black_flag=0;
       red_flag=1;
     }
     else
     {
      sleep(1);
     }
  }
用semophore 有更优雅的表现方式.
sem_t red,black;
sem_init(red,0,1);
sem_init(black,0,0);
红棋:
 while(1)
 {
   sem_wait(red);  //申请资源
   行棋;
   sem_post(black); //释放黑方资源
  }

 黑棋:
 while(1)
 {
   sem_wait(black); //申请资源
   行棋;
   sem_post(red);  //释放红方资源.
 }

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4.5: 线程的创建与销毁
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  线程创建: 可创建thread_func 线程
  pthread_create(&threadID, NULL, thread_func, NULL);
  线程销毁:  
    1. thread_func, 退出循环,即可自动销毁. return 返回值做为线程返回值
    2. 线程函数中调用thread_exit(val); 来退出, 与return val 一致
    3. 千万不要调用exit(val), 这样不只该线程, 所有线程即整个进程都退出了!
      4. pthread_cancel(threadID), 从别的线程中强制销毁该线程

  说明: 这个threadID 是一个内存地址, unsigned long 类型, 不是linux内核中的threadid
     它的数值等于pthread_self(), 属于pthread 概念范畴.
     用ps -p pid -T 显示的是linux 内核中的threadid, 代码中可以用gettid()函数得到

  有时候, 一个线程由于其特殊性不能销毁, 但需要它处于一个已知的可控的状态,
  此时可以使用全局变量,控制线程的循环,当发现变量为真时,就进入sleep状态
  并返回一个已进入sleep 标志, 这样外部程序知道它没有执行敏感代码,
  从而可以执行一些敏感操作. 然后再放开控制变量,这样当线程醒来并可执行时,
  环境已经更新. 这个操作,等价于销毁,重建.