嵌入式Linux _ 線程專題

一、線程的基本概念及建立

1、線程的概念（了解）

— 程序的關系

程序是運作一段程式系統給其配置設定資源的總稱；
程序有獨立的位址空間；每個程序互不影響，隻能通路自己空間的資料；
Linux為每個程序建立task_struct 結構體；
每個程序都參與核心排程，互不影響；

— 、為啥需要線程，線程的作用

程序再切換時對系統的開銷很大；

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以上如圖：

程序（P1、P2）建立後系統将資料放入記憶體(RAM)中，CPU去執行某一個程序時，需要去從程序中擷取指令，要去取址、譯碼、執行，還要去通路資料，這些東西都是放在記憶體中的，cpu需要去記憶體中擷取指令或資料區執行，處理。cpu頻率很快，相對向記憶體讀取要快的多，中間加一個Cache(高速緩存：靜态RAM),每次運作程序前，将程序的部分資料放入cache中，cpu直接在cache中讀取資料。
當程序間切換時，cache需要重新整理，還有一種 tlb（頁表緩存），每個程序的實體位址是不一樣的。

很多作業系統引入輕量級程序LWP（線程）。
同一程序中的線程共享相同位址空間。
Linux中不區分程序、線程。

2、線程特點（了解）

通常線程指的是共享相同位址空間的多個任務。
使用多線程的好處：
1. 大大提高了任務切換的效率。
2. 避免了額外的TLB&cache的重新整理。

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一個程序中。

一個程序中的多個線程共享以下資源。

線程ID(TID)

PC(程式計數器)和相關寄存器。

堆棧

錯誤号（errno）；

優先級；

執行狀态和屬性；

pthread線程庫中提供了如下基本操作。

建立線程；

回收線程；

結束線程；

同步和互斥機制

信号量；

互斥鎖；

4、線程的建立（熟悉）

— 線程建立 — pthread_create

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread , const pthread_attr_t *attr , void*(routine)(void*), void *arg);

成功傳回0，失敗傳回錯誤碼；
thread 線程對象；
attr :線程屬性，NULL代表預設屬性；
routine : 線程執行的函數；
arg : 傳遞給routine 的參數；

— 線程回收 — pthread_join

#include <pthread.h>

int pathread_join(pthread_t thread , void ** retval);

成功傳回0，失敗時傳回錯誤碼；
thread 要回收的線程對象；
調用線程阻塞直到thread結束；
*retval 接收線程thread的傳回值；（一個二級指針傳回的是一個位址）

— 結束一個線程 — pthread_exit

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void*retval);

結束目前程序；
retval可被其他線程通過pthread_join擷取。（傳回的retval位址不能是一個局部變量的位址，不然該空間被釋放，會出錯）

示例：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

char message[32] = "Hello World";
void *thread_func(void *arg);


int main(int argc, const char *argv[])
{
	pthread_t a_thread;
	void *result;

	if(pthread_create(&a_thread,NULL,thread_func,NULL) != 0)
	{
		printf("fail to pthread_create");
		exit(-1);
	}
	pthread_join(a_thread,&result);   //線程回收
	printf("result is %s \n",(char*)result);
	printf("message is %s \n",message);

	return 0;
}

void *thread_func(void *arg)
{
	sleep(1);   //
	strcpy(message,"markey by thread");
	pthread_exit("thank you for waiting for me"); //線程退出
}

線程時通過第三方的庫函數實作的，在編譯時要加入相應的庫。
之前講過多程序中父程序結束時，子程序還會再運作；但在多線程中：當程序中的主線程man傳回結束時，還程序中的所有線程都會結束。

二、線程兼通信的問題

1、同步機制（了解）

線程共享同一程序的位址空間；
優點：線程間通信很容易
1. 通過全局變量交換資料；
缺點：多個線程通路共享資料時需要同步或互斥機制。

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2、線程通信 — 同步

同步（synchronization）指的是多個任務按照約定的先後次序互相配合完成一件事。（後完成的任務通常都需要等待先完成的任務完成，先完成的任務完成後通知後任務）
1968年，Edsgar Dijktra基于信号量的概念提出了一種同步進制。
由信号量來決定線程是繼續運作還是阻塞等待；

3、信号量（了解）

信号量（燈）：信号量代表某一類資源，其值表示系統中該資源的數量（沒資源為0，有資源大于0）
信号量是一個受保護的變量，智能通過三種操作來通路。
1. 初始化；
2. P操作（申請資源）：檢查信号量的值是否大于0，大于0有資源，任務繼續執行，去通路；等于0時沒資源，線程阻塞，等待該資源。
3. V操作（釋放資源）：任務不需要通路資源，或者任務産生了一個資源，告訴其他需要該資源的任務。

4、對信号量基本操之 — P操作（熟悉）

信号量 --- P

P（S）含義如下：

if(信号量的值大于0)

{

申請資源的任務繼續運作；

信号量的值減一；

}else

{

申請資源的任務阻塞；

}

5、對信号量的 V操作（熟悉）

信号量 ------ V
V（S）含義如下：

信号量的值加一；

if(有任務在等待資源)

{

喚醒等待的任務，讓其繼續運作；

}

6、對應相應函數

— Posix信号量

posix中定義了兩種信号量；
1. 無名信号量（基于記憶體的信号量）：主要用于程序内部，線程之間的通信（同步）；
2. 有名信号量（既可以用于程序之間，也可以用于線程之間）；
pthread庫常用的信号量操作函數如下：

int sem_init(sem_t *sem , int pshared , unsigned int value);

int sem_wait(sem_t *sem); P操作

int sem_post(sem_t *sem); V操作

2、信号量初始化 -- sem_init

#include <semaphore.h>
1. int sem_init(sem_t *sem , int pshared , unsigned int value);
2. 成功時傳回0，失敗時傳回 EOF;
3. sem 指向要初始化的信号量對象；
4. pashared 0 — 線程間使用， 1— 程序間使用；
5. val : 信号量初值；

3、信号量操作 — P/V操作

#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem); P操作
int sem_post(sem_t *sem); V操作

成功時傳回0，失敗時傳回EOF;
sem指向要操作的信号量對象；

三、信号量同步示例1、2

1、信号量同步示例1 （熟練）

兩個線程同步讀寫緩沖區（生産者/消費者問題）

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— 寫緩沖區線程： writer 讀緩沖區線程： reader

— 寫緩沖區對信号量進行一個P操作，并喚醒讀程序、都程序喚醒後對信号量進行一個V操作。

#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>


char buf[32];
sem_t sem;
void *function(void *arg);
int main(int argc, const char *argv[])
{
	pthread_t a_thread;

	if(sem_init(&sem,0,0) < 0)
	{
		perror("sem_init");
		exit(-1);
	}
	if(pthread_create(&a_thread,NULL,function,NULL) != 0)
	{
		perror("pthread_create");
		exit(-1);
	}
	do
	{
		fgets(buf,32,stdin);   //按行标準輸入
		sem_post(&sem); //對信号量進行V操作，擷取/釋放資源
	}while(strncmp(buf,"quit",4) != 0);

	return 0;
}

void *function(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&sem);//對信号量進行P操作，申請資源
		printf("you enter %d characters \n",strlen(buf));
	}
}

— ps aux –L |grep sem

2、信号量同步示例2 （熟練）

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#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>


char buf[32];
sem_t sem_r;
sem_t sem_w;
void *function(void *arg);
int main(int argc, const char *argv[])
{
	pthread_t a_thread;

	if(sem_init(&sem_r,0,0) < 0)
	{
		perror("sem_init");
		exit(-1);
	}
	if(sem_init(&sem_w,0,1) < 0)
	{
		perror("sem_init");
		exit(-1);
	}
	if(pthread_create(&a_thread,NULL,function,NULL) != 0)
	{
		perror("pthread_create");
		exit(-1);
	}
	do
	{
		sem_wait(&sem_w);
		fgets(buf,32,stdin);
		sem_post(&sem_r); //對信号量進行V操作，擷取/釋放資源
	}while(strncmp(buf,"quit",4) != 0);

	return 0;
}

void *function(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&sem_r);//對信号量進行P操作，申請資源
		printf("you enter %d characters \n",strlen(buf));
		sem_post(&sem_w);
	}
}

注：任何信号量都要進行初始化。

小結： sem_init

sem_wait

sem_post

四、程序間的互斥

1、臨界資源（了解）

臨界資源
1. 通常是一個共享資源；
2. 一次隻能允許被一個任務（程序、線程）通路；
臨界區
1. 通路臨界區的代碼；（其他代碼成為非臨界代碼）
互斥機制
1. mutex互斥鎖；
2. 要不沒有任務持有該鎖，要不隻有一個任務隻有該鎖。
3. 任務通路臨界資源前申請鎖，通路完後釋放鎖；

2、互斥機制

互斥鎖（熟悉）

互斥鎖初始化 — pthread_mutex_init

#include <pthread.h>

int pathread_mutex_init(pathread_mutex_t *mutex , const pthread_mutexattr_t * attr);

成功時傳回0，失敗時傳回錯誤碼；
mutex 指向要初始化的互斥鎖對象；
attr ：互斥鎖的屬性，NULL表示預設屬性；

申請鎖 — pthread_mutex_lock

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex);

成功時傳回0，失敗時傳回錯誤碼；
mutex 指向要初始化的互斥鎖對象；
如果無法獲得鎖，任務阻塞；

釋放鎖 — pthread_mutex_unlock

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);

成功時傳回0，失敗時傳回錯誤碼；
mutex 指向要初始化的互斥鎖對象；
執行完臨界區要及時釋放鎖；

示例：

嵌入式Linux _ 線程專題

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

unsigned int count,value1,value2;
pthread_mutex_t lock;
void *thread_func(void *arg);


int main(int argc, const char *argv[])
{
	pthread_t a_thread;


	if(pthread_mutex_init(&lock,NULL) != 0)
	{
		printf("fail to pthread_mutex_init  \n");
		exit(-1);
	}
	if(pthread_create(&a_thread,NULL,thread_func,NULL) != 0)
	{
		printf("fail to pthread_create");
		exit(-1);
	}
	while(1)
	{
		count++;		
#ifdef _LOCK_
		pthread_mutex_lock(&lock);
#endif
		value1 = count;
		value2 = count;
#ifdef _LOCK_
		pthread_mutex_unlock(&lock);
#endif
		
	}
	return 0;
}

void *thread_func(void *arg)
{
	while(1)
	{
#ifdef _LOCK_
		pthread_mutex_lock(&lock);
#endif
		if(value1 != value2)
		{
			printf("value1 =%u , value2 = %u \n",value1,value2);
			usleep(100000);//将線程挂起一段時間，機關微妙
		}
#ifdef _LOCK_
		pthread_mutex_unlock(&lock);
#endif
		//printf("value1 =%u , value2 = %u \n",value1,value2);
	}
	return NULL;
}

注：

不使用互斥鎖運作：$gcc -o test test.c -Wall -lpthread

$./test

value1 = 198 , value2 = 199;

value1 = 2398 , value2 = 2399;

使用互斥鎖運作：$gcc -o test test.c -Wall -lpthread _D_LOCK_

$./test

總結：（1）程序與線程量程在時間片的作用下互動執行值，count的值一直在疊加的狀态；

（2）在沒有使用互斥鎖的時候，程序中再給value1或者value2指派的時候可能會遇到時間片使用完的情況，會有當次某一個指派失敗的情況，導緻跳入線程中後判定兩值不相等，列印出對應數值；

（3）加了互斥鎖以後，在申請鎖成功以後，在跳入另一個程序中時，另一個程序也在申請鎖時，會失敗進入阻塞狀态，又會傳回擁有鎖的程序繼續執行，直到程序釋放鎖，另一個程序得到執行，這是不是出現（2）中的情況；

嵌入式Linux _ 線程專題

一、線程的基本概念及建立

1、線程的概念（了解）

2、線程特點（了解）

4、線程的建立（熟悉）

二、線程兼通信的問題

1、同步機制（了解）

2、線程通信 — 同步

3、信号量（了解）

4、對信号量基本操之 — P操作（熟悉）

5、對信号量的 V操作（熟悉）

6、對應相應函數

三、信号量同步示例1、2

1、信号量同步示例1 （熟練）

2、信号量同步示例2 （熟練）

四、程序間的互斥

1、臨界資源（了解）

2、互斥機制

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一、線程的基本概念 及 建立

1、線程的概念（了解）

2、線程特點（了解）

4、線程的建立（熟悉）

二、線程兼通信的問題

1、同步機制（了解）

2、線程通信 — 同步

3、信号量（了解）

4、對信号量基本操之 — P操作（熟悉）

5、對信号量的 V操作（熟悉）

6、對應相應函數

三、信号量同步示例1、2

1、信号量同步示例1 （熟練）

2、信号量同步示例2 （熟練）

四、程序間的互斥

1、臨界資源（了解）

2、互斥機制

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