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一、線程等待的原理
pThread_join 函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)線程等待。其中的 retval 參數(shù)用于傳遞目標(biāo)線程的退出狀態(tài)。當(dāng)目標(biāo)線程結(jié)束時(shí)，pthread_join 會(huì)將目標(biāo)線程的退出狀態(tài)（即線程函數(shù)的返回值或通過 pthread_exit 傳遞的參數(shù)）存儲(chǔ)在 *retval 所指向的內(nèi)存位置上。換句話說，pthread_join 會(huì)修改 retval 所指向的 void * 類型變量的值。
以下是相關(guān)的代碼示例：
#include <iostream> #include <unistd.h> #include <pthread.h> using namespace std; int g_val = 100; void *threadRoutine(void *args) { const char *name = (const char *)args; int cnt = 5; while (true) { printf("%s, pid: %d, g_val: %d, &g_val: 0X%pn", name, getpid(), g_val, &g_val); sleep(1); cnt--; if (cnt == 0) break; } pthread_exit((void *)100); } int main() { pthread_t pid; pthread_create(&pid, nullptr, threadRoutine, (void *)"Thread 1"); void *ret; pthread_join(pid, &ret); cout << "Thread returned: " << (long long int)ret << endl; return 0; }
通過上面的代碼和圖片，我們可以看到，新線程的輸出參數(shù)可以被主線程獲取，并且全局變量可以被所有線程訪問，是共享資源，因此全局函數(shù)也可以被所有線程訪問。
&ret 接收退出狀態(tài)的具體過程如下：當(dāng)調(diào)用 pthread_join 時(shí)，pthread_join 會(huì)阻塞當(dāng)前線程，直到由 thread 參數(shù)指定的目標(biāo)線程終止。一旦目標(biāo)線程終止，pthread_join 會(huì)將該線程調(diào)用 pthread_exit 時(shí)傳遞的 void* 指針（即退出狀態(tài)）賦值給 &ret 所指向的 void* 變量，即 ret。pthread_join 成功完成等待和狀態(tài)獲取后，會(huì)返回 0，表示操作成功，當(dāng)前線程可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。
二、線程的局部存儲(chǔ)
全局變量是被所有線程共享的。如果我們的線程需要有自己的私有數(shù)據(jù)，即只能自己訪問而其他線程不能訪問，我們可以在全局變量前加上關(guān)鍵字 __thread 來修飾，這是編譯器為我們提供的只能用來修飾內(nèi)置類型的關(guān)鍵字。
以下是相關(guān)的代碼示例：
#include <iostream> #include <pthread.h> #include <vector> #include <string> #include <unistd.h> using namespace std; #define NUM 3 int *p = nullptr; __thread int val = 100; class ThreadInfo { public: ThreadInfo(const string &threadname) : threadname_(threadname) {} public: string threadname_; }; string toHex(pthread_t tid) { char buffer[64]; snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%p", tid); return buffer; } void *threadroutine(void *args) { int i = 0; ThreadInfo *ti = static_cast<ThreadInfo*>(args); while(i < 5) { printf("%s, tid: %s, pid: %d, val: %d, &val: 0X%pn", ti->threadname_.c_str(), toHex(pthread_self()).c_str(), getpid(), val, &val); val++; i++; sleep(1); } return nullptr; } int main() { vector<pthread_t> tids; vector<ThreadInfo> thread_datas; for(int i = 0; i < NUM; i++) { thread_datas.emplace_back("Thread-" + to_string(i + 1)); pthread_t tid; pthread_create(&tid, nullptr, threadroutine, &thread_datas.back()); tids.push_back(tid); } for(auto tid : tids) { pthread_join(tid, nullptr); } return 0; }
通過觀察我們可以發(fā)現(xiàn)，在相同線程的情況下，val 的值是遞增的，但對(duì)于不同的線程之間，val 值是沒有關(guān)系的。因此，我們通過關(guān)鍵字 __thread 實(shí)現(xiàn)了線程的局部存儲(chǔ)，這些屬于每個(gè)線程的 val 的地址在線程的獨(dú)立棧中。
三、初步理解線程互斥
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互斥的概念
- 臨界資源：多線程執(zhí)行流共享的資源稱為臨界資源。
- 臨界區(qū)：每個(gè)線程內(nèi)部，訪問臨界資源的代碼稱為臨界區(qū)。
- 互斥：任何時(shí)刻，有且只有一個(gè)執(zhí)行流進(jìn)入臨界區(qū)，訪問臨界資源（對(duì)臨界資源起保護(hù)作用）。
- 原子性：不會(huì)被任何調(diào)度機(jī)制打斷的操作，是不可再分隔的動(dòng)作，該操作只有兩種狀態(tài)，一是完成，二是未完成（早期化學(xué)中，原子是組成物質(zhì)的最小的不可分割的單位，在這樣的背景下提出的原子性）。
在大部分情況下，線程使用的數(shù)據(jù)都是局部變量，變量的地址空間在線程棧空間內(nèi)，這種情況下，變量屬于單個(gè)線程，其他線程無法獲得這個(gè)變量。但有時(shí)候，很多變量需要在線程之間共享，這些變量被稱為共享變量，可以通過數(shù)據(jù)的共享，完成線程之間的交互。
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需要互斥的原因
在各個(gè)線程訪問共享變量的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)多進(jìn)程并發(fā)的操作，可能會(huì)帶來一些問題。
下面是一個(gè)經(jīng)典的搶票問題，每個(gè)線程訪問到共享資源的票數(shù)就給它減一，就相當(dāng)于是搶走一張票。
以下是相關(guān)的代碼示例：
#include <iostream> #include <cstdio> #include <cstring> #include <vector> #include <unistd.h> #include <pthread.h> using namespace std; #define NUM 4 class threadData { public: threadData(int number) { threadname = "thread-" + to_string(number); } public: string threadname; }; int tickets = 1000; void *getTicket(void *args) { threadData *td = static_cast<threadData*>(args); const char *name = td->threadname.c_str(); while (true) { if(tickets > 0) { usleep(1000); printf("who=%s, get a ticket: %dn", name, tickets); tickets--; } else break; } printf("%s ... quitn", name); return nullptr; } int main() { vector<pthread_t> tids; vector<threadData> thread_datas; for (int i = 1; i <= NUM; i++) { thread_datas.emplace_back(i); pthread_t tid; pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, &thread_datas.back()); tids.push_back(tid); } for(auto tid : tids) { pthread_join(tid, nullptr); } return 0; }
我們將程序執(zhí)行兩遍：
第一遍：
第二遍：
我們發(fā)現(xiàn)，搶票怎么還能搶出第0票呢，甚至還有-1、-2票？而且竟然還有搶到一張票的情況，下面我們來詳解一下。
首先，如果我們只討論一個(gè)線程，整個(gè)搶票的過程就是，ticket 在內(nèi)存中，線程讀取 ticket，然后線程把 ticket 變量放到 CPU 上，CPU 進(jìn)行 — 操作，然后再放回內(nèi)存中，將原來的值覆蓋。我們這么說，這個(gè)過程是不是變得很慢了呢，所以在我們讀取 ticket 之后，其他線程也來讀取了，最后我們執(zhí)行一圈后，如果他們都是一起執(zhí)行完的，那么原來1000的值就變成了999，他們都搶到了第1000張票，這就是重復(fù)搶到同一張票的原因。出現(xiàn)負(fù)數(shù)也是這個(gè)原因，只不過不是同一時(shí)間做出返回內(nèi)存的行為，在 CPU 進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，要重新讀取數(shù)據(jù)，如果開始時(shí)所有線程都 ticket==1，判斷這里就能過得去，然后一個(gè)線程拿到了最后一張票1，其他三個(gè)線程就拿到了“假票”0、-1、-2，這就是我們要進(jìn)行進(jìn)程互斥的原因。
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