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## 第 18 章 多线程服务器端的实现
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本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
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### 18.1 理解线程的概念
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#### 18.1.1 引入线程背景
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第 10 章介绍了多进程服务端的实现方法。多进程模型与 select 和 epoll 相比的确有自身的优点，但同时也有问题。如前所述，创建（复制）进程的工作本身会给操作系统带来相当沉重的负担。而且，每个进程都具有独立的内存空间，所以进程间通信的实现难度也会随之提高。换言之，多进程的缺点可概括为：
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- 创建进程的过程会带来一定的开销
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- 为了完成进程间数据交换，需要特殊的 IPC 技术。
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但是更大的缺点是下面的：
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- 每秒少则 10 次，多则千次的「上下文切换」是创建进程的最大开销
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只有一个 CPU 的系统是将时间分成多个微小的块后分配给了多个进程。为了分时使用 CPU ，需要「上下文切换」的过程。「上下文切换」是指运行程序前需要将相应进程信息读入内存，如果运行进程 A 后紧接着需要运行进程 B ，就应该将进程 A 相关信息移出内存（或保存到寄存器），并读入进程 B 相关信息。这就是上下文切换。上下文切换需要保存和恢复进程的上下文信息（寄存器、程序计数器、栈指针等），这个过程会带来一定的开销，即使通过优化加快速度，也会存在一定的局限。
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为了保持多进程的优点，同时在一定程度上克服其缺点，人们引入的线程（Thread）的概念。这是为了将进程的各种劣势降至最低程度（不是直接消除）而设立的一种「轻量级进程」。线程比进程具有如下优点：
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- 线程的创建和上下文切换比进程的创建和上下文切换更快
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- 线程间交换数据无需特殊技术
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#### 18.1.2 线程和进程的差异
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线程是为了解决：为了得到多条代码执行流而复制整个内存区域的负担太重。
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每个进程的内存空间都由保存全局变量的「数据区」、向 malloc 等函数动态分配提供空间的堆（Heap）、函数运行时间使用的栈（Stack）构成。每个进程都有独立的这种空间，多个进程的内存结构如图所示：
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但如果以获得多个代码执行流为目的，则不应该像上图那样完全分离内存结构，而只需分离栈区域。通过这种方式可以获得如下优势：
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- 上下文切换时不需要切换数据区和堆
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- 可以利用数据区和堆交换数据
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实际上这就是线程。线程为了保持多条代码执行流而隔开了栈区域，因此具有如下图所示的内存结构：
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如图所示，多个线程共享数据区和堆。为了保持这种结构，线程将在进程内创建并运行。也就是说，进程和线程可以定义为如下形式：
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- 进程：在操作系统构成单独执行流的单位
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- 线程：在进程构成单独执行流的单位
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如果说进程在操作系统内部生成多个执行流，那么线程就在同一进程内部创建多条执行流。因此，操作系统、进程、线程之间的关系可以表示为下图：
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### 18.2 线程创建及运行
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可移植操作系统接口（英语：Portable Operating System Interface，缩写为POSIX）是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行软件，而定义API的一系列互相关联的标准的总称，其正式称呼为IEEE Std 1003，而国际标准名称为ISO/IEC 9945。此标准源于一个大约开始于1985年的项目。POSIX这个名称是由理查德·斯托曼（RMS）应IEEE的要求而提议的一个易于记忆的名称。它基本上是Portable Operating System Interface（可移植操作系统接口）的缩写，而X则表明其对Unix API的传承。
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Linux基本上逐步实现了POSIX兼容，但并没有参加正式的POSIX认证。
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微软的Windows NT声称部分实现了POSIX标准。
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当前的POSIX主要分为四个部分：Base Definitions、System Interfaces、Shell and Utilities和Rationale。
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#### 18.2.1 线程的创建和执行流程
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线程具有单独的执行流，因此需要单独定义线程的 main 函数，还需要请求操作系统在单独的执行流中执行该函数，完成函数功能的函数如下：
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```c
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#include <pthread.h>
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int pthread_create(pthread_t *restrict thread,
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const pthread_attr_t *restrict attr,
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void *(*start_routine)(void *),
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void *restrict arg);
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/*
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成功时返回 0 ，失败时返回错误码（正数）
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thread : 保存新创建线程 ID 的变量地址值。线程与进程相同，也需要用于区分不同线程的 ID
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attr : 用于传递线程属性的参数，传递 NULL 时，创建默认属性的线程
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||
start_routine : 相当于线程 main 函数的、在单独执行流中执行的函数地址值（函数指针）
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||
arg : 通过第三个参数传递的调用函数时包含传递参数信息的变量地址值
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*/
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```
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下面通过简单示例了解该函数功能：
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- [thread1.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread1.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <pthread.h>
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||
#include <unistd.h>
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void *thread_main(void *arg);
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||
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||
int main(int argc, char *argv[])
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||
{
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||
pthread_t t_id;
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||
int thread_param = 5;
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||
// 请求创建一个线程，从 thread_main 调用开始，在单独的执行流中运行。同时传递参数
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||
if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0)
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||
{
|
||
puts("pthread_create() error");
|
||
return -1;
|
||
}
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||
sleep(10); //延迟进程终止时间
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puts("end of main");
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||
return 0;
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||
}
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||
void *thread_main(void *arg) //传入的参数是 pthread_create 的第四个
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||
{
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||
int i;
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||
int cnt = *((int *)arg);
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||
for (int i = 0; i < cnt; i++)
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||
{
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||
sleep(1);
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||
puts("running thread");
|
||
}
|
||
return NULL;
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||
}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc thread1.c -o tr1 -lpthread # 线程相关代码编译时需要添加 -lpthread 选项声明需要连接到线程库
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./tr1
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```
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运行结果：
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上述程序的执行如图所示：
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可以看出，程序在主进程没有结束时，生成的线程每隔一秒输出一次 `running thread` ，但是如果主进程没有等待十秒，而是直接结束，这样也会强制结束线程，不论线程有没有运行完毕。
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那是否意味着主进程必须每次都 sleep 来等待线程执行完毕？并不需要，可以通过以下函数解决。
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```c
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#include <pthread.h>
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int pthread_join(pthread_t thread, void **status);
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/*
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成功时返回 0 ，失败时返回错误码（正数）
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||
thread : 该参数值 ID 的线程终止后才会从该函数返回
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||
status : 保存线程的 main 函数返回值的指针的变量地址值
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||
*/
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||
```
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作用就是调用该函数的进程（或线程）将进入等待状态，直到第一个参数为 ID 的线程终止为止。而且可以得到线程的 main 函数的返回值。下面是该函数的用法代码：
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- [thread2.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread2.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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||
#include <stdlib.h>
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||
#include <string.h>
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||
#include <pthread.h>
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||
void *thread_main(void *arg);
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||
int main(int argc, char *argv[])
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||
{
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||
pthread_t t_id;
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||
int thread_param = 5;
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||
void *thr_ret;
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||
// 请求创建一个线程，从 thread_main 调用开始，在单独的执行流中运行。同时传递参数
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||
if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0)
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||
{
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||
puts("pthread_create() error");
|
||
return -1;
|
||
}
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||
//main函数将等待 ID 保存在 t_id 变量中的线程终止
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||
if (pthread_join(t_id, &thr_ret) != 0)
|
||
{
|
||
puts("pthread_join() error");
|
||
return -1;
|
||
}
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||
printf("Thread return message : %s \n", (char *)thr_ret);
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||
free(thr_ret);
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||
return 0;
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||
}
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void *thread_main(void *arg) //传入的参数是 pthread_create 的第四个
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{
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int i;
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int cnt = *((int *)arg);
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||
char *msg = (char *)malloc(sizeof(char) * 50);
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strcpy(msg, "Hello,I'am thread~ \n");
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||
for (int i = 0; i < cnt; i++)
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||
{
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||
sleep(1);
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||
puts("running thread");
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||
}
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||
return (void *)msg; //返回值是 thread_main 函数中内部动态分配的内存空间地址值
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}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc thread2.c -o tr2 -lpthread
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./tr2
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```
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运行结果：
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可以看出，线程输出了5次字符串，并且把返回值给了主进程
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下面是该函数的执行流程图：
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#### 18.2.2 可在临界区内调用的函数
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在同步的程序设计中，临界区块（Critical section）指的是一个访问共享资源（例如：共享设备或是共享存储器）的程序片段，而这些共享资源有无法同时被多个线程访问的特性。
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当有线程进入临界区块时，其他线程或是进程必须等待（例如：bounded waiting 等待法），有一些同步的机制必须在临界区块的进入点与离开点实现，以确保这些共享资源是被异或的使用，例如：semaphore。
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只能被单一线程访问的设备，例如：打印机。
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一个最简单的实现方法就是当线程（Thread）进入临界区块时，禁止改变处理器；在uni-processor系统上，可以用“禁止中断（CLI）”来完成，避免发生系统调用（System Call）导致的上下文交换（Context switching）；当离开临界区块时，处理器恢复原先的状态。
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根据临界区是否引起问题，函数可以分为以下 2 类：
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- 线程安全函数（Thread-safe function）
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- 非线程安全函数（Thread-unsafe function）
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线程安全函数被多个线程同时调用也不会发生问题。反之，非线程安全函数被同时调用时会引发问题。但这并非有关于临界区的讨论，线程安全的函数中同样可能存在临界区。只是在线程安全的函数中，同时被多个线程调用时可通过一些措施避免问题。
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幸运的是，大多数标准函数都是线程安全函数。操作系统在定义非线程安全函数的同时，提供了具有相同功能的线程安全的函数。比如，第 8 章的：
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```c
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struct hostent *gethostbyname(const char *hostname);
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```
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同时，也提供了同一功能的安全函数：
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```c
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struct hostent *gethostbyname_r(const char *name,
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struct hostent *result,
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char *buffer,
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size_t buflen,
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int *h_errnop);
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```
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线程安全函数结尾通常是 `_r` 。但是使用线程安全函数会给程序员带来额外的负担，可以通过以下方法自动将 gethostbyname 函数调用改为 gethostbyname_r 函数调用。
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> 声明头文件前定义 `_REENTRANT` 宏。
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无需特意更改源代码，可以在编译的时候指定编译参数定义宏。
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```shell
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gcc -D_REENTRANT mythread.c -o mthread -lpthread
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```
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#### 18.2.3 工作（Worker）线程模型
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下面的示例是计算从 1 到 10 的和，但并不是通过 main 函数进行运算，而是创建两个线程，其中一个线程计算 1 到 5 的和，另一个线程计算 6 到 10 的和，main 函数只负责输出运算结果。这种方式的线程模型称为「工作线程」。显示该程序的执行流程图：
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下面是代码：
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- [thread3.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread3.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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||
#include <pthread.h>
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||
void *thread_summation(void *arg);
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||
int sum = 0;
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||
int main(int argc, char *argv[])
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||
{
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pthread_t id_t1, id_t2;
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||
int range1[] = {1, 5};
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||
int range2[] = {6, 10};
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||
pthread_create(&id_t1, NULL, thread_summation, (void *)range1);
|
||
pthread_create(&id_t2, NULL, thread_summation, (void *)range2);
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||
|
||
pthread_join(id_t1, NULL);
|
||
pthread_join(id_t2, NULL);
|
||
printf("result: %d \n", sum);
|
||
return 0;
|
||
}
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void *thread_summation(void *arg)
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||
{
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||
int start = ((int *)arg)[0];
|
||
int end = ((int *)arg)[1];
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||
while (start <= end)
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||
{
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||
sum += start;
|
||
start++;
|
||
}
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return NULL;
|
||
}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc thread3.c -D_REENTRANT -o tr3 -lpthread
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./tr3
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```
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结果：
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可以看出计算结果正确，两个线程都用了全局变量 sum ,证明了 2 个线程共享保存全局变量的数据区。
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但是本例子本身存在问题。存在临界区相关问题，可以从下面的代码看出，下面的代码和上面的代码相似，只是增加了发生临界区错误的可能性，即使在高配置系统环境下也容易产生的错误：
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- [thread4.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread4.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <unistd.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <pthread.h>
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#define NUM_THREAD 100
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void *thread_inc(void *arg);
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void *thread_des(void *arg);
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long long num = 0;
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int main(int argc, char *argv[])
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||
{
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||
pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
|
||
int i;
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||
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||
printf("sizeof long long: %d \n", sizeof(long long));
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||
for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
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||
{
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||
if (i % 2)
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||
pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
|
||
else
|
||
pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
|
||
}
|
||
|
||
for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
|
||
pthread_join(thread_id[i], NULL);
|
||
|
||
printf("result: %lld \n", num);
|
||
return 0;
|
||
}
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||
|
||
void *thread_inc(void *arg)
|
||
{
|
||
int i;
|
||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num += 1;
|
||
return NULL;
|
||
}
|
||
void *thread_des(void *arg)
|
||
{
|
||
int i;
|
||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num -= 1;
|
||
return NULL;
|
||
}
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||
```
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编译运行：
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```shell
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gcc thread4.c -D_REENTRANT -o tr4 -lpthread
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./tr4
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```
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结果：
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从图上可以看出，每次运行的结果竟然不一样。理论上来说，上面代码的最后结果应该是 0 。原因暂时不得而知，但是可以肯定的是，这对于线程的应用是个大问题。
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### 18.3 线程存在的问题和临界区
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下面分析 [thread4.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread4.c) 中产生问题的原因，并给出解决方案。
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#### 18.3.1 多个线程访问同一变量是问题
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[thread4.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread4.c) 的问题如下：
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> 2 个线程正在同时访问全局变量 num
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任何内存空间，只要被同时访问，都有可能发生问题。
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因此，线程访问变量 num 时应该阻止其他线程访问，直到线程 1 运算完成。这就是同步（Synchronization）。
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#### 18.3.2 临界区位置
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那么在刚才代码中的临界区位置是：
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> 函数内同时运行多个线程时引发问题的多条语句构成的代码块
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全局变量 num 不能视为临界区，因为它不是引起问题的语句，只是一个内存区域的声明。下面是刚才代码的两个线程函数
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```c
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void *thread_inc(void *arg)
|
||
{
|
||
int i;
|
||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num += 1;//临界区
|
||
return NULL;
|
||
}
|
||
void *thread_des(void *arg)
|
||
{
|
||
int i;
|
||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num -= 1;//临界区
|
||
return NULL;
|
||
}
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||
```
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||
由上述代码可知，临界区并非 num 本身，而是访问 num 的两条语句，这两条语句可能由多个线程同时运行，也是引起这个问题的直接原因。产生问题的原因可以分为以下三种情况：
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- 2 个线程同时执行 thread_inc 函数
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||
- 2 个线程同时执行 thread_des 函数
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||
- 2 个线程分别执行 thread_inc 和 thread_des 函数
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比如发生以下情况：
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> 线程 1 执行 thread_inc 的 num+=1 语句的同时，线程 2 执行 thread_des 函数的 num-=1 语句
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也就是说，两条不同的语句由不同的线程执行时，也有可能构成临界区。前提是这 2 条语句访问同一内存空间。
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### 18.4 线程同步
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||
前面讨论了线程中存在的问题，下面就是解决方法，线程同步。
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#### 18.4.1 同步的两面性
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||
线程同步用于解决线程访问顺序引发的问题。需要同步的情况可以从如下两方面考虑。
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- 同时访问同一内存空间时发生的情况
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||
- 需要指定访问同一内存空间的线程顺序的情况
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||
情况一之前已经解释过，下面讨论情况二。这是「控制线程执行的顺序」的相关内容。假设有 A B 两个线程，线程 A 负责向指定的内存空间内写入数据，线程 B 负责取走该数据。所以这是有顺序的，不按照顺序就可能发生问题。所以这种也需要进行同步。
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||
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#### 18.4.2 互斥量
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互斥锁（英语：Mutual exclusion，缩写 Mutex）是一种用于多线程编程中，防止两条线程同时对同一公共资源（比如全域变量）进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区域（critical section）达成。临界区域指的是一块对公共资源进行访问的代码，并非一种机制或是算法。一个程序、进程、线程可以拥有多个临界区域，但是并不一定会应用互斥锁。
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||
通俗地说，互斥量就是一把锁，当临界区被占据的时候就上锁，等占用完毕然后再放开。
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下面是互斥量的创建及销毁函数。
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```c
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#include <pthread.h>
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||
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,
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const pthread_mutexattr_t *attr);
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||
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
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||
/*
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||
成功时返回 0，失败时返回错误码
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||
mutex : 创建互斥量时传递保存互斥量的变量地址值，销毁时传递需要销毁的互斥量地址
|
||
attr : 传递即将创建的互斥量属性，没有特别需要指定的属性时传递 NULL
|
||
*/
|
||
```
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||
|
||
从上述函数声明中可以看出，为了创建相当于锁系统的互斥量，需要声明如下 pthread_mutex_t 型变量：
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||
```c
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||
pthread_mutex_t mutex
|
||
```
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||
|
||
该变量的地址值传递给 pthread_mutex_init 函数，用来保存操作系统创建的互斥量（锁系统）。调用 pthread_mutex_destroy 函数时同样需要该信息。如果不需要配置特殊的互斥量属性，则向第二个参数传递 NULL 时，可以利用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 进行如下声明：
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||
```c
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||
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
|
||
```
|
||
|
||
推荐尽可能的使用 pthread_mutex_init 函数进行初始化，因为通过宏进行初始化时很难发现发生的错误。
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||
|
||
下面是利用互斥量锁住或释放临界区时使用的函数。
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```c
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#include <pthread.h>
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||
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
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||
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
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||
/*
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||
成功时返回 0 ，失败时返回错误码
|
||
*/
|
||
```
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||
函数本身含有 lock unlock 等词汇，很容易理解其含义。进入临界区前调用的函数就是 pthread_mutex_lock。调用该函数时，发现有其他线程已经进入临界区，则 pthread_mutex_lock 函数不会返回，直到里面的线程调用 pthread_mutex_unlock 函数退出临界区位置。也就是说，其他线程让出临界区之前，当前线程一直处于阻塞状态。接下来整理一下代码的编写方式：
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```c
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pthread_mutex_lock(&mutex);
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||
//临界区开始
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||
//...
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||
//临界区结束
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||
pthread_mutex_unlock(&mutex);
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||
```
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简言之，就是利用 lock 和 unlock 函数围住临界区的两端。此时互斥量相当于一把锁，阻止多个线程同时访问，还有一点要注意，线程退出临界区时，如果忘了调用 pthread_mutex_unlock 函数，那么其他为了进入临界区而调用 pthread_mutex_lock 的函数无法摆脱阻塞状态。这种情况称为「死锁」。需要格外注意，下面是利用互斥量解决示例 [thread4.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/thread4.c) 中遇到的问题代码：
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- [mutex.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/mutex.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <unistd.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <pthread.h>
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#define NUM_THREAD 100
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void *thread_inc(void *arg);
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void *thread_des(void *arg);
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long long num = 0;
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pthread_mutex_t mutex; //保存互斥量读取值的变量
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int main(int argc, char *argv[])
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{
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pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
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int i;
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||
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //创建互斥量
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||
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||
for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
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||
{
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if (i % 2)
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pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
|
||
else
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||
pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
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||
}
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||
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||
for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
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||
pthread_join(thread_id[i], NULL);
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||
printf("result: %lld \n", num);
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||
pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁互斥量
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return 0;
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}
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||
void *thread_inc(void *arg)
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||
{
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||
int i;
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||
pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
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||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num += 1;
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||
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
|
||
return NULL;
|
||
}
|
||
void *thread_des(void *arg)
|
||
{
|
||
int i;
|
||
pthread_mutex_lock(&mutex);
|
||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num -= 1;
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||
pthread_mutex_unlock(&mutex);
|
||
return NULL;
|
||
}
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||
```
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||
编译运行：
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```shell
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gcc mutex.c -D_REENTRANT -o mutex -lpthread
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./mutex
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```
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运行结果：
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从运行结果可以看出，通过互斥量机制得出了正确的运行结果。
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在代码中：
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```c
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void *thread_inc(void *arg)
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||
{
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||
int i;
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||
pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
|
||
for (i = 0; i < 50000000; i++)
|
||
num += 1;
|
||
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
|
||
return NULL;
|
||
}
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```
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以上代码的临界区划分范围较大，但这是考虑如下优点所做的决定:
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> 最大限度减少互斥量 lock unlock 函数的调用次数
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#### 18.4.3 信号量
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信号量（英语：Semaphore）又称为信号标，是一个同步对象，用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待（wait）时，该计数值减一；当线程完成一次对semaphore对象的释放（release）时，计数值加一。当计数值为0，则线程等待该semaphore对象不再能成功直至该semaphore对象变成signaled状态。semaphore对象的计数值大于0，为signaled状态；计数值等于0，为nonsignaled状态.
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semaphore对象适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源，是一种不需要使用忙碌等待（busy waiting）的方法。
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信号量的概念是由荷兰计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉（Edsger W. Dijkstra）发明的，广泛的应用于不同的操作系统中。在系统中，给予每一个进程一个信号量，代表每个进程当前的状态，未得到控制权的进程会在特定地方被强迫停下来，等待可以继续进行的信号到来。如果信号量是一个任意的整数，通常被称为计数信号量（Counting semaphore），或一般信号量（general semaphore）；如果信号量只有二进制的0或1，称为二进制信号量（binary semaphore）。在linux系统中，二进制信号量（binary semaphore）又称互斥锁（Mutex）。
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下面介绍信号量，在互斥量的基础上，很容易理解信号量。此处只涉及利用「二进制信号量」（只用 0 和 1）完成「控制线程顺序」为中心的同步方法。下面是信号量的创建及销毁方法：
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```c
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#include <semaphore.h>
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||
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
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||
int sem_destroy(sem_t *sem);
|
||
/*
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||
成功时返回 0 ，失败时返回错误码
|
||
sem : 创建信号量时保存信号量的变量地址值，销毁时传递需要销毁的信号量变量地址值
|
||
pshared : 传递非 0 值时，创建可由多个进程共享的信号量；传递 0 时，创建只允许 1 个进程内部使用的信号量。需要完成同一进程的线程同步，故为 0
|
||
value : 指定创建信号量的初始值
|
||
*/
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||
```
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||
上述的 pshared 参数超出我们的关注范围，故默认向其传递 0。下面是信号量中相当于互斥量 lock unlock 的函数。
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```c
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||
#include <semaphore.h>
|
||
int sem_post(sem_t *sem);
|
||
int sem_wait(sem_t *sem);
|
||
/*
|
||
成功时返回 0 ，失败时返回错误码
|
||
sem : 传递保存信号量读取值的变量地址值，传递给 sem_post 的信号量增 1，传递给 sem_wait 时信号量减 1
|
||
*/
|
||
```
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||
调用 sem_init 函数时，操作系统将创建信号量对象，此对象中记录着「信号量值」（Semaphore Value）整数。该值在调用 sem_post 函数时增加 1，调用 sem_wait 函数时减 1。但信号量的值不能小于 0，因此，在信号量为 0 的情况下调用 sem_wait 函数时，调用的线程将进入阻塞状态（因为函数未返回）。当然，此时如果有其他线程调用 sem_post 函数，信号量的值将变为 1，而原本阻塞的线程可以将该信号重新减为 0 并跳出阻塞状态。实际上就是通过这种特性完成临界区的同步操作，可以通过如下形式同步临界区（假设信号量的初始值为 1）：
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```c
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||
sem_wait(&sem);//信号量变为 0...
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||
// 临界区的开始
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//...
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||
//临界区的结束
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||
sem_post(&sem);//信号量变为 1...
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||
```
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||
上述代码结构中，调用 sem_wait 函数进入临界区的线程在调用 sem_post 函数前不允许其他线程进入临界区。信号量的值在 0 和 1 之间跳转，因此，具有这种特性的机制称为「二进制信号量」。接下来的代码是信号量机制的代码。下面代码并非是同时访问的同步，而是关于控制访问顺序的同步，该场景为：
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> 线程 A 从用户输入得到值后存入全局变量 num，此时线程 B 将取走该值并累加。该过程一共进行 5 次，完成后输出总和并退出程序。
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下面是代码：
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- [semaphore.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/semaphore.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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||
#include <pthread.h>
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||
#include <semaphore.h>
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||
void *read(void *arg);
|
||
void *accu(void *arg);
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static sem_t sem_one;
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||
static sem_t sem_two;
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||
static int num;
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||
int main(int argc, char const *argv[])
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||
{
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||
pthread_t id_t1, id_t2;
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||
sem_init(&sem_one, 0, 0);
|
||
sem_init(&sem_two, 0, 1);
|
||
|
||
pthread_create(&id_t1, NULL, read, NULL);
|
||
pthread_create(&id_t2, NULL, accu, NULL);
|
||
|
||
pthread_join(id_t1, NULL);
|
||
pthread_join(id_t2, NULL);
|
||
|
||
sem_destroy(&sem_one);
|
||
sem_destroy(&sem_two);
|
||
return 0;
|
||
}
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||
void *read(void *arg)
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||
{
|
||
int i;
|
||
for (i = 0; i < 5; i++)
|
||
{
|
||
fputs("Input num: ", stdout);
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||
|
||
sem_wait(&sem_two);
|
||
scanf("%d", &num);
|
||
sem_post(&sem_one);
|
||
}
|
||
return NULL;
|
||
}
|
||
void *accu(void *arg)
|
||
{
|
||
int sum = 0, i;
|
||
for (i = 0; i < 5; i++)
|
||
{
|
||
sem_wait(&sem_one);
|
||
sum += num;
|
||
sem_post(&sem_two);
|
||
}
|
||
printf("Result: %d \n", sum);
|
||
return NULL;
|
||
}
|
||
```
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||
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编译运行：
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```shell
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gcc semaphore.c -D_REENTRANT -o sema -lpthread
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||
./sema
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```
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结果：
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从上述代码可以看出，设置了两个信号量：sem_one 的初始值为 0，sem_two 的初始值为 1，然后在调用函数的时候，「读」的前提是 sem_two 可以减 1，如果不能减 1 就会阻塞在这里，一直等到「计算」操作完毕后，给 sem_two 加 1，然后就可以继续执行下一句输入。对于「计算」函数，也一样。
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### 18.5 线程的销毁和多线程并发服务器端的实现
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先介绍线程的销毁，然后再介绍多线程服务端
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#### 18.5.1 销毁线程的方法
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Linux 的线程并不是在首次调用的线程 main 函数返回时自动销毁，所以需要利用如下方法之一加以明确。否则由线程创建的内存空间将一直存在。
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- 调用 pthread_join 函数
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- 调用 pthread_detach 函数
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之前调用过 pthread_join 函数。调用该函数时，不仅会等待线程终止，还会引导线程销毁。但该函数的问题是，线程终止前，调用该函数的线程将进入阻塞状态。因此，可通过如下函数调用引导线程销毁。
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```c
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#include <pthread.h>
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||
int pthread_detach(pthread_t thread);
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/*
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成功时返回 0，失败时返回错误码
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||
thread : 终止的同时需要销毁的线程 ID
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*/
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```
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调用上述函数不会引起线程终止或进入阻塞状态，可以通过该函数引导销毁线程创建的内存空间。调用该函数后不能再针对相应线程调用 pthread_join 函数。
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> 补充说明：Linux 线程有两种状态——「可结合」（joinable）和「分离」（detached）。默认创建的线程是可结合状态，必须被 pthread_join 或 pthread_detach 才能释放其资源。如果线程被设置为分离状态，则线程结束时系统会自动回收其资源，无需其他线程调用 pthread_join。
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#### 18.5.2 多线程并发服务器端的实现
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下面是多个客户端之间可以交换信息的简单聊天程序。
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- [chat_server.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/chat_server.c)
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- [chat_clnt.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch18/chat_clnt.c)
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上面的服务端示例中，需要掌握临界区的构成，访问全局变量 clnt_cnt 和数组 clnt_socks 的代码将构成临界区，添加和删除客户端时，变量 clnt_cnt 和数组 clnt_socks 将同时发生变化。因此下列情形会导致数据不一致，从而引发错误：
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- 线程 A 从数组 clnt_socks 中删除套接字信息，同时线程 B 读取 clnt_cnt 变量
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- 线程 A 读取变量 clnt_cnt ，同时线程 B 将套接字信息添加到 clnt_socks 数组
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编译运行：
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```shell
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gcc chat_server.c -D_REENTRANT -o cserv -lpthread
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gcc chat_clnt.c -D_REENTRANT -o cclnt -lpthread
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./cserv 9191
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./cclnt 127.0.0.1 9191 张三
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./cclnt 127.0.0.1 9191 李四
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```
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结果：
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### 18.6 习题
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> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
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1. **单 CPU 系统中如何同时执行多个进程？请解释该过程中发生的上下文切换**。
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答：系统将 CPU 时间分成多个微小的时间块后分配给了多个进程。为了分时使用 CPU ，需要「上下文切换」过程。运行程序前需要将相应进程信息读入内存，如果运行进程 A 后需要紧接着运行进程 B ，就应该将进程 A 相关信息移出内存，并读入进程 B 的信息。这就是上下文切换
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2. **为何线程的上下文切换速度相对更快？线程间数据交换为何不需要类似 IPC 特别技术**。
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答：线程上下文切换过程不需要切换数据区和堆。可以利用数据区和堆交换数据。
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3. **请从执行流角度说明进程和线程的区别**。
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答：进程：在操作系统构成单独执行流的单位。线程：在进程内部构成单独执行流的单位。线程为了保持多条代码执行流而隔开了栈区域。
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4. **下面关于临界区的说法错误的是**？
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答：这四个选项的说法都是错误的。正确理解如下：
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1. （错误）临界区不是指「区域」，而是指访问共享资源的代码片段。即使多个线程同时访问某些区域，如果通过同步机制保护，也不会发生问题。
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2. （错误）线程安全的函数中同样可能存在临界区，只是通过锁等机制确保了多线程同时调用时的安全性。
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3. （错误）临界区可以由多个代码块构成。线程 A 执行的代码块 A 和线程 B 执行的代码块 B，如果它们访问同一共享资源，就可能构成临界区。
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4. （错误）临界区不仅由访问全局变量的代码构成，任何访问共享资源（如静态变量、堆内存、文件等）的代码都可能构成临界区。
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5. **下列关于线程同步的说法错误的是**？
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答：第 1 和第 4 个说法是错误的，第 2 和第 3 个说法是正确的。
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1. （错误）线程同步不仅是限制访问临界区，还包括控制线程执行顺序。
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2. （正确）线程同步也具有控制线程执行顺序的含义。
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3. （正确）互斥量和信号量是典型的同步技术。
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4. （错误）线程同步是解决多线程并发问题的技术，而 IPC 是解决进程间通信问题的技术，两者并不互相代替。线程间数据交换无需特殊技术是因为线程共享同一进程的内存空间，而非线程同步代替了 IPC。
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6. **请说明完全销毁 Linux 线程的 2 种办法**
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答：
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- **调用 pthread_join 函数**：该函数会阻塞调用线程，直到目标线程终止，然后回收其资源。适用于需要获取线程返回值的场景。
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- **调用 pthread_detach 函数**：该函数将线程设置为分离状态，不会阻塞调用线程。分离状态的线程终止时，系统会自动回收其资源。适用于不关心线程返回值的场景。
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注意：一个线程要么被 pthread_join，要么被 pthread_detach，不能两者都调用。未被 join 或 detach 的线程终止后其资源不会被释放，会造成资源泄漏。
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