嵌入式Linux _ 线程专题

一、线程的基本概念及创建

1、线程的概念（了解）

— 进程的关系

进程是运行一段程序系统给其分配资源的总称；
进程有独立的地址空间；每个进程互不影响，只能访问自己空间的数据；
Linux为每个进程创建task_struct 结构体；
每个进程都参与内核调度，互不影响；

— 、为啥需要线程，线程的作用

进程再切换时对系统的开销很大；

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以上如图：

进程（P1、P2）创建后系统将数据放入内存(RAM)中，CPU去执行某一个进程时，需要去从进程中获取指令，要去取址、译码、执行，还要去访问数据，这些东西都是放在内存中的，cpu需要去内存中获取指令或数据区执行，处理。cpu频率很快，相对向内存读取要快的多，中间加一个Cache(高速缓存：静态RAM),每次运行进程前，将进程的部分数据放入cache中，cpu直接在cache中读取数据。
当进程间切换时，cache需要刷新，还有一种 tlb（页表缓存），每个进程的物理地址是不一样的。

很多操作系统引入轻量级进程LWP（线程）。
同一进程中的线程共享相同地址空间。
Linux中不区分进程、线程。

2、线程特点（了解）

通常线程指的是共享相同地址空间的多个任务。
使用多线程的好处：
1. 大大提高了任务切换的效率。
2. 避免了额外的TLB&cache的刷新。

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一个进程中。

一个进程中的多个线程共享以下资源。

线程ID(TID)

PC(程序计数器)和相关寄存器。

堆栈

错误号（errno）；

优先级；

执行状态和属性；

pthread线程库中提供了如下基本操作。

创建线程；

回收线程；

结束线程；

同步和互斥机制

信号量；

互斥锁；

4、线程的创建（熟悉）

— 线程创建 — pthread_create

#include <pthread.h>

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

成功返回0，失败返回错误码；
thread 线程对象；
attr :线程属性，NULL代表默认属性；
routine : 线程执行的函数；
arg : 传递给routine 的参数；

— 线程回收 — pthread_join

#include <pthread.h>

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

成功返回0，失败时返回错误码；
thread 要回收的线程对象；
调用线程阻塞直到thread结束；
*retval 接收线程thread的返回值；（一个二级指针返回的是一个地址）

— 结束一个线程 — pthread_exit

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void*retval);

结束当前进程；
retval可被其他线程通过pthread_join获取。（返回的retval地址不能是一个局部变量的地址，不然该空间被释放，会出错）

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);   //线程回收
	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"); //线程退出
}

线程时通过第三方的库函数实现的，在编译时要加入相应的库。
之前讲过多进程中父进程结束时，子进程还会再运行；但在多线程中：当进程中的主线程man返回结束时，还进程中的所有线程都会结束。

二、线程兼通信的问题

1、同步机制（了解）

线程共享同一进程的地址空间；
优点：线程间通信很容易
1. 通过全局变量交换数据；
缺点：多个线程访问共享数据时需要同步或互斥机制。

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2、线程通信 — 同步

同步（synchronization）指的是多个任务按照约定的先后次序相互配合完成一件事。（后完成的任务通常都需要等待先完成的任务完成，先完成的任务完成后通知后任务）
1968年，Edsgar Dijktra基于信号量的概念提出了一种同步进制。
由信号量来决定线程是继续运行还是阻塞等待；

3、信号量（理解）

信号量（灯）：信号量代表某一类资源，其值表示系统中该资源的数量（没资源为0，有资源大于0）
信号量是一个受保护的变量，智能通过三种操作来访问。
1. 初始化；
2. P操作（申请资源）：检查信号量的值是否大于0，大于0有资源，任务继续执行，去访问；等于0时没资源，线程阻塞，等待该资源。
3. V操作（释放资源）：任务不需要访问资源，或者任务产生了一个资源，告诉其他需要该资源的任务。

4、对信号量基本操之 — P操作（熟悉）

信号量 --- P

P（S）含义如下：

if(信号量的值大于0)

{

申请资源的任务继续运行；

信号量的值减一；

}else

{

申请资源的任务阻塞；

}

5、对信号量的 V操作（熟悉）

信号量 ------ V
V（S）含义如下：

信号量的值加一；

if(有任务在等待资源)

{

唤醒等待的任务，让其继续运行；

}

6、对应相应函数

— Posix信号量

posix中定义了两种信号量；
1. 无名信号量（基于内存的信号量）：主要用于进程内部，线程之间的通信（同步）；
2. 有名信号量（既可以用于进程之间，也可以用于线程之间）；
pthread库常用的信号量操作函数如下：

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. 成功时返回0，失败时返回 EOF;
3. sem 指向要初始化的信号量对象；
4. pashared 0 — 线程间使用， 1— 进程间使用；
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

成功时返回0，失败时返回EOF;
sem指向要操作的信号量对象；

三、信号量同步示例1、2

1、信号量同步示例1 （熟练）

两个线程同步读写缓冲区（生产者/消费者问题）

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— 写缓冲区线程： writer 读缓冲区线程： reader

— 写缓冲区对信号量进行一个P操作，并唤醒读进程、都进程唤醒后对信号量进行一个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);   //按行标准输入
		sem_post(&sem); //对信号量进行V操作，获取/释放资源
	}while(strncmp(buf,"quit",4) != 0);

	return 0;
}

void *function(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&sem);//对信号量进行P操作，申请资源
		printf("you enter %d characters \n",strlen(buf));
	}
}

— ps aux –L |grep sem

2、信号量同步示例2 （熟练）

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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); //对信号量进行V操作，获取/释放资源
	}while(strncmp(buf,"quit",4) != 0);

	return 0;
}

void *function(void *arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&sem_r);//对信号量进行P操作，申请资源
		printf("you enter %d characters \n",strlen(buf));
		sem_post(&sem_w);
	}
}

注：任何信号量都要进行初始化。

小结： sem_init

sem_wait

sem_post

四、进程间的互斥

1、临界资源（了解）

临界资源
1. 通常是一个共享资源；
2. 一次只能允许被一个任务（进程、线程）访问；
临界区
1. 访问临界区的代码；（其他代码成为非临界代码）
互斥机制
1. mutex互斥锁；
2. 要不没有任务持有该锁，要不只有一个任务只有该锁。
3. 任务访问临界资源前申请锁，访问完后释放锁；

2、互斥机制

互斥锁（熟悉）

互斥锁初始化 — pthread_mutex_init

#include <pthread.h>

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

成功时返回0，失败时返回错误码；
mutex 指向要初始化的互斥锁对象；
attr ：互斥锁的属性，NULL表示缺省属性；

申请锁 — pthread_mutex_lock

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex);

成功时返回0，失败时返回错误码；
mutex 指向要初始化的互斥锁对象；
如果无法获得锁，任务阻塞；

释放锁 — pthread_mutex_unlock

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);

成功时返回0，失败时返回错误码；
mutex 指向要初始化的互斥锁对象；
执行完临界区要及时释放锁；

示例：

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#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);//将线程挂起一段时间，单位微妙
		}
#ifdef _LOCK_
		pthread_mutex_unlock(&lock);
#endif
		//printf("value1 =%u , value2 = %u \n",value1,value2);
	}
	return NULL;
}

注：

不使用互斥锁运行：$gcc -o test test.c -Wall -lpthread

$./test

value1 = 198 , value2 = 199;

value1 = 2398 , value2 = 2399;

使用互斥锁运行：$gcc -o test test.c -Wall -lpthread _D_LOCK_

$./test

总结：（1）进程与线程量程在时间片的作用下交互执行值，count的值一直在叠加的状态；

（2）在没有使用互斥锁的时候，进程中再给value1或者value2赋值的时候可能会遇到时间片使用完的情况，会有当次某一个赋值失败的情况，导致跳入线程中后判定两值不相等，打印出对应数值；

（3）加了互斥锁以后，在申请锁成功以后，在跳入另一个进程中时，另一个进程也在申请锁时，会失败进入阻塞状态，又会返回拥有锁的进程继续执行，直到进程释放锁，另一个进程得到执行，这是不是出现（2）中的情况；

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一、线程的基本概念及创建

1、线程的概念（了解）

2、线程特点（了解）

4、线程的创建（熟悉）

二、线程兼通信的问题

1、同步机制（了解）

2、线程通信 — 同步

3、信号量（理解）

4、对信号量基本操之 — P操作（熟悉）

5、对信号量的 V操作（熟悉）

6、对应相应函数

三、信号量同步示例1、2

1、信号量同步示例1 （熟练）

2、信号量同步示例2 （熟练）

四、进程间的互斥

1、临界资源（了解）

2、互斥机制

继续阅读

Linux _ 进程管理相关命令

Linux _ 网络配置管理

Linux _ Shell基本系统维护命令

Linux _ Shell基本命令

嵌入式Linux _ 文件I/O

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一、线程的基本概念 及 创建

1、线程的概念（了解）

2、线程特点（了解）

4、线程的创建（熟悉）

二、线程兼通信的问题

1、同步机制（了解）

2、线程通信 — 同步

3、信号量（理解）

4、对信号量基本操之 — P操作（熟悉）

5、对信号量的 V操作（熟悉）

6、对应相应函数

三、信号量同步示例1、2

1、信号量同步示例1 （熟练）

2、信号量同步示例2 （熟练）

四、进程间的互斥

1、临界资源（了解）

2、互斥机制

继续阅读

一、线程的基本概念及创建