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Linux 的多線程編程的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)
時間：2018-09-29 來源：未知
Linux 平臺上的多線程程序開發(fā)相對應(yīng)其他平臺（比如 Windows）的多線程 API 有一些細(xì)微和隱晦的差別。不注意這些 Linux 上的一些開發(fā)陷阱，常常會導(dǎo)致程序問題不窮，死鎖不斷。本文中從 6 個方面總結(jié)出 Linux 多線程編程上的問題，并分別引出相關(guān)改善的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，用以避免這些的陷阱。我們希望這些經(jīng)驗(yàn)可以幫助讀者們能更好更快的熟悉 Linux 平臺的多線程編程。
Linux 上線程開發(fā) API 的概要介紹
多線程開發(fā)在 Linux 平臺上已經(jīng)有成熟的 Pthread 庫支持。其涉及的多線程開發(fā)的基本概念主要包含三點(diǎn)：線程，互斥鎖，條件。其中，線程操作又分線程的創(chuàng)建，退出，等待 3 種。互斥鎖則包括 4 種操作，分別是創(chuàng)建，銷毀，加鎖和解鎖。條件操作有 5 種操作：創(chuàng)建，銷毀，觸發(fā)，廣播和等待。其他的一些線程擴(kuò)展概念，如信號燈等，都可以通過上面的三個基本元素的基本操作封裝出來。
線程，互斥鎖，條件在 Linux 平臺上對應(yīng)的 API 可以用表 1 歸納。為了方便熟悉 Windows 線程編程的讀者熟悉 Linux 多線程開發(fā)的 API，我們在表中同時也列出 Windows SDK 庫中所對應(yīng)的 API 名稱。
表 1. 線程函數(shù)列表
對象 操作 Linux Pthread API Windows SDK 庫對應(yīng) API
線程 創(chuàng)建 pthread_create CreateThread
退出 pthread_exit ThreadExit
等待 pthread_join WaitForSingleObject
互斥鎖 創(chuàng)建 pthread_mutex_init CreateMutex
銷毀 pthread_mutex_destroy CloseHandle
加鎖 pthread_mutex_lock WaitForSingleObject
解鎖 pthread_mutex_unlock ReleaseMutex
條件 創(chuàng)建 pthread_cond_init CreateEvent
銷毀 pthread_cond_destroy CloseHandle
觸發(fā) pthread_cond_signal SetEvent
廣播 pthread_cond_broadcast SetEvent / ResetEvent
等待 pthread_cond_wait / pthread_cond_timedwait SingleObjectAndWait
多線程開發(fā)在 Linux 平臺上已經(jīng)有成熟的 Pthread 庫支持。其涉及的多線程開發(fā)的基本概念主要包含三點(diǎn)：線程，互斥鎖，條件。其中，線程操作又分線程的創(chuàng)建，退出，等待 3 種。互斥鎖則包括 4 種操作，分別是創(chuàng)建，銷毀，加鎖和解鎖。條件操作有 5 種操作：創(chuàng)建，銷毀，觸發(fā)，廣播和等待。其他的一些線程擴(kuò)展概念，如信號燈等，都可以通過上面的三個基本元素的基本操作封裝出來。
Linux 線程編程中的 6 條經(jīng)驗(yàn)
1、盡量設(shè)置 recursive 屬性以初始化 Linux 的互斥變量
互斥鎖是多線程編程中基本的概念，在開發(fā)中被廣泛使用。其調(diào)用次序?qū)哟吻逦唵危航ㄦi，加鎖，解鎖，銷毀鎖。但是需要注意的是，與諸如 Windows 平臺的互斥變量不同，在默認(rèn)情況下，Linux 下的同一線程無法對同一互斥鎖進(jìn)行遞歸加速，否則將發(fā)生死鎖。
所謂遞歸加鎖，就是在同一線程中試圖對互斥鎖進(jìn)行兩次或兩次以上的行為。其場景在 Linux 平臺上的代碼可由清單 1 所示。
清單 1. Linux 重復(fù)對互斥鎖加鎖實(shí)例
// 通過默認(rèn)條件建鎖
pthread_mutex_t *theMutex = new pthread_mutex_t;
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutex_init(theMutex,&attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
// 遞歸加鎖
pthread_mutex_lock (theMutex);
pthread_mutex_lock (theMutex);
pthread_mutex_unlock (theMutex);
pthread_mutex_unlock (theMutex);
在以上代碼場景中，問題將出現(xiàn)在第二次加鎖操作。由于在默認(rèn)情況下，Linux 不允許同一線程遞歸加鎖，因此在第二次加鎖操作時線程將出現(xiàn)死鎖。
Linux 互斥變量這種奇怪的行為或許對于特定的某些場景會所有用處，但是對于大多數(shù)情況下看起來更像是程序的一個 bug 。畢竟，在同一線程中對同一互斥鎖進(jìn)行遞歸加鎖在尤其是二次開發(fā)中經(jīng)常會需要。
這個問題與互斥鎖的中的默認(rèn) recursive 屬性有關(guān)。解決問題的方法就是顯式地在互斥變量初始化時將設(shè)置起 recursive 屬性。基于此，以上代碼其實(shí)稍作修改就可以很好的運(yùn)行，只需要在初始化鎖的時候加設(shè)置一個屬性。請看清單 2 。
清單 2. 設(shè)置互斥鎖 recursive 屬性實(shí)例
pthread_mutexattr_init(&attr);
//設(shè)置 recursive 屬性
pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP);
pthread_mutex_init(theMutex,&attr);
因此，建議盡量設(shè)置 recursive 屬性以初始化 Linux 的互斥鎖，這樣既可以解決同一線程遞歸加鎖的問題，又可以避免很多情況下死鎖的發(fā)生。這樣做還有一個額外的好處，就是可以讓 Windows 和 Linux 下讓鎖的表現(xiàn)統(tǒng)一。
2、注意 Linux 平臺上觸發(fā)條件變量的自動復(fù)位問題
條件變量的置位和復(fù)位有兩種常用模型：第一種模型是當(dāng)條件變量置位（signaled）以后，如果當(dāng)前沒有線程在等待，其狀態(tài)會保持為置位（signaled），直到有等待的線程進(jìn)入被觸發(fā)，其狀態(tài)才會變?yōu)閺?fù)位（unsignaled），這種模型的采用以 Windows 平臺上的 Auto-set Event 為代表。其狀態(tài)變化如圖 1 所示：
圖 1. Windows 的條件變量狀態(tài)變化流程
第二種模型則是 Linux 平臺的 Pthread 所采用的模型，當(dāng)條件變量置位（signaled）以后，即使當(dāng)前沒有任何線程在等待，其狀態(tài)也會恢復(fù)為復(fù)位（unsignaled）狀態(tài)。其狀態(tài)變化如圖 2 所示：
圖 2. Linux 的條件變量狀態(tài)變化流程
具體來說，Linux 平臺上 Pthread 下的條件變量狀態(tài)變化模型是這樣工作的：調(diào)用 pthread_cond_signal() 釋放被條件阻塞的線程時，無論存不存在被阻塞的線程，條件都將被重新復(fù)位，下一個被條件阻塞的線程將不受影響。而對于 Windows，當(dāng)調(diào)用 SetEvent 觸發(fā) Auto-reset 的 Event 條件時，如果沒有被條件阻塞的線程，那么條件將維持在觸發(fā)狀態(tài)，直到有新的線程被條件阻塞并被釋放為止。
這種差異性對于那些熟悉 Windows 平臺上的條件變量狀態(tài)模型而要開發(fā) Linux 平臺上多線程的程序員來說可能會造成意想不到的尷尬結(jié)果。試想要實(shí)現(xiàn)一個旅客坐出租車的程序：旅客在路邊等出租車，調(diào)用條件等待。出租車來了，將觸發(fā)條件，旅客停止等待并上車。一個出租車只能搭載一波乘客，于是我們使用單一觸發(fā)的條件變量。這個實(shí)現(xiàn)邏輯在第一個模型下即使出租車先到，也不會有什么問題，其過程如圖 3 所示：
圖 3. 采用 Windows 條件變量模型的出租車實(shí)例流程
然而如果按照這個思路來在 Linux 上來實(shí)現(xiàn)，代碼看起來可能是清單 3 這樣。
清單 3. Linux 出租車案例代碼實(shí)例
// 提示出租車到達(dá)的條件變量
pthread_cond_t taxiCond;
// 同步鎖
pthread_mutex_t taxiMutex;
// 旅客到達(dá)等待出租車
void * traveler_arrive(void * name) {
cout<< ” Traveler: ” <<(char *)name<< ” needs a taxi now! ” <<endl;
pthread_mutex_lock(&taxiMutex);
pthread_cond_wait (&taxiCond, &taxtMutex);
pthread_mutex_unlock (&taxtMutex);
cout<< ” Traveler: ” << (char *)name << ” now got a taxi! ” <<endl;
pthread_exit( (void *)0 );
}
// 出租車到達(dá)
void * taxi_arrive(void *name) {
cout<< ” Taxi ” <<(char *)name<< ” arrives. ” <<endl;
pthread_cond_signal(&taxtCond);
pthread_exit( (void *)0 );
}
void main() {
// 初始化
taxtCond= PTHREAD_COND_INITIALIZER;
taxtMutex= PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_t thread;
pthread_attr_t threadAttr;
pthread_attr_init(&threadAttr);
pthread_create(&thread, & threadAttr, taxt_arrive, (void *)( ” Jack ” ));
sleep(1);
pthread_create(&thread, &threadAttr, traveler_arrive, (void *)( ” Susan ” ));
sleep(1);
pthread_create(&thread, &threadAttr, taxi_arrive, (void *)( ” Mike ” ));
sleep(1);
return 0;
}
好的，運(yùn)行一下，看看結(jié)果如清單 4 。
清單 4. 程序結(jié)果輸出
Taxi Jack arrives.
Traveler Susan needs a taxi now!
Taxi Mike arrives.
Traveler Susan now got a taxi.
其過程如圖 4 所示：
圖 4. 采用 Linux 條件變量模型的出租車實(shí)例流程
通過對比結(jié)果，你會發(fā)現(xiàn)同樣的邏輯，在 Linux 平臺上運(yùn)行的結(jié)果卻完全是兩樣。對于在 Windows 平臺上的模型一， Jack 開著出租車到了站臺，觸發(fā)條件變量。如果沒顧客，條件變量將維持觸發(fā)狀態(tài)，也就是說 Jack 停下車在那里等著。直到 Susan 小姐來了站臺，執(zhí)行等待條件來找出租車。 Susan 搭上 Jack 的出租車離開，同時條件變量被自動復(fù)位。
但是到了 Linux 平臺，問題就來了，Jack 到了站臺一看沒人，觸發(fā)的條件變量被直接復(fù)位，于是 Jack 排在等待隊(duì)列里面。來遲一秒的 Susan 小姐到了站臺卻看不到在那里等待的 Jack，只能等待，直到 Mike 開車趕到，重新觸發(fā)條件變量，Susan 才上了 Mike 的車。這對于在排隊(duì)系統(tǒng)前面的 Jack 是不公平的，而問題癥結(jié)是在于 Linux 平臺上條件變量觸發(fā)的自動復(fù)位引起的一個 Bug 。
條件變量在 Linux 平臺上的這種模型很難說好壞。但是在實(shí)際開發(fā)中，我們可以對代碼稍加改進(jìn)就可以避免這種差異的發(fā)生。由于這種差異只發(fā)生在觸發(fā)沒有被線程等待在條件變量的時刻，因此我們只需要掌握好觸發(fā)的時機(jī)即可。簡單的做法是增加一個計(jì)數(shù)器記錄等待線程的個數(shù)，在決定觸發(fā)條件變量前檢查下該變量即可。改進(jìn)后 Linux 函數(shù)如清單 5 所示。
清單 5. Linux 出租車案例代碼實(shí)例
// 提示出租車到達(dá)的條件變量
pthread_cond_t taxiCond;
// 同步鎖
pthread_mutex_t taxiMutex;
// 旅客人數(shù)，初始為 0
int travelerCount=0;
// 旅客到達(dá)等待出租車
void * traveler_arrive(void * name) {
cout<< ” Traveler: ” <<(char *)name<< ” needs a taxi now! ” <<endl;
pthread_mutex_lock(&taxiMutex);
// 提示旅客人數(shù)增加
travelerCount++;
pthread_cond_wait (&taxiCond, &taxiMutex);
pthread_mutex_unlock (&taxiMutex);
cout<< ” Traveler: ” << (char *)name << ” now got a taxi! ” <<endl;
pthread_exit( (void *)0 );
}
// 出租車到達(dá)
void * taxi_arrive(void *name)
{
cout<< ” Taxi ” <<(char *)name<< ” arrives. ” <<endl;
while(true)
{
pthread_mutex_lock(&taxiMutex);
// 當(dāng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有旅客在等待時，才觸發(fā)條件變量
if(travelerCount>0)
{
pthread_cond_signal(&taxtCond);
pthread_mutex_unlock (&taxiMutex);
break;
}
pthread_mutex_unlock (&taxiMutex);
}
pthread_exit( (void *)0 );
}
因此我們建議在 Linux 平臺上要出發(fā)條件變量之前要檢查是否有等待的線程，只有當(dāng)有線程在等待時才對條件變量進(jìn)行觸發(fā)。
4、注意條件返回時互斥鎖的解鎖問題
在 Linux 調(diào)用 pthread_cond_wait 進(jìn)行條件變量等待操作時，我們增加一個互斥變量參數(shù)是必要的，這是為了避免線程間的競爭和饑餓情況。但是當(dāng)條件等待返回時候，需要注意的是一定不要遺漏對互斥變量進(jìn)行解鎖。
Linux 平臺上的 pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) 函數(shù)返回時，互斥鎖 mutex 將處于鎖定狀態(tài)。因此之后如果需要對臨界區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新訪問，則沒有必要 對 mutex 就行重新加鎖。但是，隨之而來的問題是，每次條件等待以后需要加入一步手動的解鎖操作。正如前文中乘客等待出租車的 Linux 代碼如清單 6 所示：
清單 6. 條件變量返回后的解鎖實(shí)例
void * traveler_arrive(void * name) {
cout<< ” Traveler: ” <<(char *)name<< ” needs a taxi now! ” <<endl;
pthread_mutex_lock(&taxiMutex);
pthread_cond_wait (&taxiCond, &taxtMutex);
pthread_mutex_unlock (&taxtMutex);
cout<< ” Traveler: ” << (char *)name << ” now got a taxi! ” <<endl;
pthread_exit( (void *)0 );
}
這一點(diǎn)對于熟悉 Windows 平臺多線程開發(fā)的開發(fā)者來說尤為重要。 Windows 上的 SignalObjectAndWait() 函數(shù)是常與 Linux 平臺上的 pthread_cond_wait() 函數(shù)被看作是跨平臺編程時的一對等價函數(shù)。但是需要注意的是，兩個函數(shù)退出時的狀態(tài)是不一樣的。在 Windows 平臺上，SignalObjectAndWait(HANDLE a, HANDLE b, …… ) 方法在調(diào)用結(jié)束返回時的狀態(tài)是 a 和 b 都是置位（signaled）狀態(tài)，在普遍的使用方法中，a 經(jīng)常是一個 Mutex 變量，在這種情況下，當(dāng)返回時，Mutex a 處于解鎖狀態(tài)（signaled），Event b 處于置位狀態(tài)（signaled）, 因此，對于 Mutex a 而言，我們不需要考慮解鎖的問題。而且，在 SignalObjectAndWait() 之后，如果需要對臨界區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新訪問，都需要調(diào)用 WaitForSingleObject() 重新加鎖。這一點(diǎn)剛好與 Linux 下的 pthread_cond_wait() 完全相反。
Linux 對于 Windows 的這一點(diǎn)額外解鎖的操作區(qū)別很重要，一定得牢記。否則從 Windows 移植到 Linux 上的條件等待操作一旦忘了結(jié)束后的解鎖操作，程序?qū)⒖隙〞l(fā)生死鎖。
5、等待的絕對時間問題
超時是多線程編程中一個常見的概念。例如，當(dāng)你在 Linux 平臺下使用 pthread_cond_timedwait() 時就需要指定超時這個參數(shù)，以便這個 API 的調(diào)用者多只被阻塞指定的時間間隔。但是如果你是第一次使用這個 API 時，首先你需要了解的就是這個 API 當(dāng)中超時參數(shù)的特殊性（就如本節(jié)標(biāo)題所提示的那樣）。我們首先來看一下這個 API 的定義。 pthread_cond_timedwait() 定義請看清單 7 。
清單 7. pthread_cond_timedwait() 函數(shù)定義
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abstime);
參數(shù) abstime 在這里用來表示和超時時間相關(guān)的一個參數(shù)，但是需要注意的是它所表示的是一個絕對時間，而不是一個時間間隔數(shù)值，只有當(dāng)系統(tǒng)的當(dāng)前時間達(dá)到或者超過 abstime 所表示的時間時，才會觸發(fā)超時事件。這對于擁有 Windows 平臺線程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人來說可能尤為困惑。因?yàn)?Windows 平臺下所有的 API 等待參數(shù)（如 SignalObjectAndWait，等）都是相對時間，
假設(shè)我們指定相對的超時時間參數(shù)如 dwMilliseconds （單位毫秒）來調(diào)用和超時相關(guān)的函數(shù)，這樣就需要將 dwMilliseconds 轉(zhuǎn)化為 Linux 下的絕對時間參數(shù) abstime 使用。常用的轉(zhuǎn)換方法如清單 8 所示：
清單 8. 相對時間到絕對時間轉(zhuǎn)換實(shí)例
/* get the current time */
struct timeval now;
gettimeofday(&now, NULL);
/* add the offset to get timeout value */
abstime ->tv_nsec = now.tv_usec * 1000 + (dwMilliseconds % 1000) * 1000000;
abstime ->tv_sec = now.tv_sec + dwMilliseconds / 1000;
Linux 的絕對時間看似簡單明了，卻是開發(fā)中一個非常隱晦的陷阱。而且一旦你忘了時間轉(zhuǎn)換，可以想象，等待你的錯誤將是多么的令人頭疼：如果忘了把相對時間轉(zhuǎn)換成絕對時間，相當(dāng)于你告訴系統(tǒng)你所等待的超時時間是過去式的 1970 年 1 月 1 號某個時間段，于是操作系統(tǒng)毫不猶豫馬上送給你一個 timeout 的返回值，然后你會舉著拳頭抱怨為什么另外一個同步線程耗時居然如此之久，并一頭扎進(jìn)尋找耗時原因的深淵里。
6、正確處理 Linux 平臺下的線程結(jié)束問題
在 Linux 平臺下，當(dāng)處理線程結(jié)束時需要注意的一個問題就是如何讓一個線程善始善終，讓其所占資源得到正確釋放。在 Linux 平臺默認(rèn)情況下，雖然各個線程之間是相互獨(dú)立的，一個線程的終止不會去通知或影響其他的線程。但是已經(jīng)終止的線程的資源并不會隨著線程的終止而得到釋放，我們需要調(diào)用 pthread_join() 來獲得另一個線程的終止?fàn)顟B(tài)并且釋放該線程所占的資源。 Pthread_join() 函數(shù)的定義如清單 9 。
清單 9. pthread_join 函數(shù)定義
int pthread_join(pthread_t th, void **thread_return);
調(diào)用該函數(shù)的線程將掛起，等待 th 所表示的線程的結(jié)束。 thread_return 是指向線程 th 返回值的指針。需要注意的是 th 所表示的線程必須是 joinable 的，即處于非 detached（游離）狀態(tài)；并且只可以有唯一的一個線程對 th 調(diào)用 pthread_join() 。如果 th 處于 detached 狀態(tài)，那么對 th 的 pthread_join() 調(diào)用將返回錯誤。
如果你壓根兒不關(guān)心一個線程的結(jié)束狀態(tài)，那么也可以將一個線程設(shè)置為 detached 狀態(tài)，從而來讓操作系統(tǒng)在該線程結(jié)束時來回收它所占的資源。將一個線程設(shè)置為 detached 狀態(tài)可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)。一種是調(diào)用 pthread_detach() 函數(shù)，可以將線程 th 設(shè)置為 detached 狀態(tài)。其申明如清單 10 。
清單 10. pthread_detach 函數(shù)定義
int pthread_detach(pthread_t th);
另一種方法是在創(chuàng)建線程時就將它設(shè)置為 detached 狀態(tài)，首先初始化一個線程屬性變量，然后將其設(shè)置為 detached 狀態(tài)，后將它作為參數(shù)傳入線程創(chuàng)建函數(shù) pthread_create()，這樣所創(chuàng)建出來的線程就直接處于 detached 狀態(tài)。方法如清單 11 。
清單 11. 創(chuàng)建 detach 線程代碼實(shí)例
pthread_t tid;
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&tid, &attr, THREAD_FUNCTION, arg);
總之為了在使用 Pthread 時避免線程的資源在線程結(jié)束時不能得到正確釋放，從而避免產(chǎn)生潛在的內(nèi)存泄漏問題，在對待線程結(jié)束時，要確保該線程處于 detached 狀態(tài)，否著就需要調(diào)用 pthread_join() 函數(shù)來對其進(jìn)行資源回收。
總結(jié)與補(bǔ)充
本文以上部分詳細(xì)介紹了 Linux 的多線程編程的 5 條高效開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。另外你也可以考慮嘗試其他一些開源類庫來進(jìn)行線程開發(fā)。
1. Boost 庫
Boost 庫來自于由 C++ 標(biāo)準(zhǔn)委員會類庫工作組成員發(fā)起，致力于為 C++ 開發(fā)新的類庫的 Boost 組織。雖然該庫本身并不是針對多線程而產(chǎn)生，但是發(fā)展至今，其已提供了比較全面的多線程編程的 API 支持。 Boost 庫對于多線程支持的 API 風(fēng)格上更類似于 Linux 的 Pthread 庫，差別在于其將線程，互斥鎖，條件等線程開發(fā)概念都封裝成了 C++ 類，以方便開發(fā)調(diào)用。 Boost 庫目前對跨平臺支持的很不錯，不僅支持 Windows 和 Linux ，還支持各種商用的 Unix 版本。如果開發(fā)者想使用高穩(wěn)定性的統(tǒng)一線程編程接口減輕跨平臺開發(fā)的難度， Boost 庫將是首選。
2. ACE
ACE 全稱是 ADAPTIVE Communication Environment，它是一個免費(fèi)的，開源的，面向?qū)ο蟮墓ぞ呖蚣埽靡蚤_發(fā)并發(fā)訪問的軟件。由于 ACE 初是面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端的編程開發(fā)，因此對于線程開發(fā)的工具庫它也能提供很全面的支持。其支持的平臺也很全面，包括 Windows，Linux 和各種版本 Unix 。 ACE 的唯一問題是如果僅僅是用于線程編程，其似乎顯得有些過于重量級。而且其較復(fù)雜的配置也讓其部署對初學(xué)者而言并非易事。
