《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 18：多线程服务器端的实现

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 18：多线程服务器端的实现

线程的概念

引入线程的背景

多进程模型的缺点：

1. 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
2. 进程间通信的实现难度高，为了完成进程间数据交换，需要特殊的 IPC 技术
3. 每秒少则数十次、多则数千次的“上下文切换”（Context Switching）是创建进程时最大的开销

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。

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，并读入进程 B 相关信息。这就是上下文切换。但是此时进程 A 的数据将被移动到硬盘，所以上下文切换要很长时间，即使通过优化加快速度，也会存在一定的局限。

为了保持多进程的优点，同时在一定程度上克服其缺点，人们引入了线程（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：

1. 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
2. 线程间交换数据无需特殊技术

线程与进程的区别

每个进程的内存空间由三个部分构成：

1. 数据区：用于保存全局变量
2. 堆区域：用于向malloc等函数的动态分配提供空间
3. 栈区域：函数运行时会使用

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：

为了得到多条代码流而复制整个内存区域的负担太重了，所以有了线程的出现。不应完全分离内存结构，而只需要分离栈区域。通过这种方式可以获得如下优势：

1. 上下文切换时不需要切换数据区和堆
2. 可以利用数据区和堆交换数据

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：

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：

• 进程：在操作系统构成单独执行流的单位
• 线程：在进程构成单独执行流的单位

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：

线程创建与运行

pthread_create

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，完成该功能的函数如下：

#include <pthread.h>int pthread_create(pthread_t *restrict thread,const pthread_attr_t *restrict attr,void *(*start_routine)(void *),void *restrict arg);

参数：

• 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
• 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
• 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）
• 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

成功时返回 0，失败时返回 -1。

要想理解好上述函数的参数，需要熟练掌握restrict关键字和函数指针相关语法。但如果只关注使用方法，那么该函数的使用比想象中要简单。下面通过简单示例了解该函数的功能。

#include <stdio.h>
// #include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void *thread_main(void *arg);int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t t_id;int thread_param = 5;// 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if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0){puts("pthread_create() error");return -1;}sleep(10); // 延迟进程终止时间puts("end of main");// system("pause");return 0;
}
void *thread_main(void *arg) // 传入的参数是 pthread_create 的第四个
{int i;int cnt = *((int *)arg);for (int i = 0; i < cnt; i++){sleep(1);puts("running thread");}return NULL;
}

线程相关代码在编译时需要添加-lpthread选项声明需要连接线程库，只有这样才可以调用头文件pthread.h中声明的函数。

运行结果：

上述程序的执行如下图所示。其中，虚线代表执行流称，向下的箭头指的是执行流，横向箭头是函数调用。

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”，共输出5次，最后输出 main 函数中的“end of main”。

但是如果主进程没有等待十秒，而是直接结束，将主函数中的 sleep(10) 改成 sleep(2)。

这样不会输出 5 次“running thread”，main 函数返回后整个进程将被销毁，无论线程有没有运行完毕，如下图所示。

pthread_join

通过调用 sleep 函数控制线程的执行相当于预测程序的执行流程，但实际上这是不可能完成的事情。而且稍有不慎，很可能干扰程序的正常执行流。例如，怎么可能在上述示例中准确预测 thread_main 函数的运行时间，并让 main 函数恰好等待这么长时间呢？因此，我们不用 sleep 函数，而是通常利用下面的函数控制线程的执行流。

#include <pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread, void **status);

参数：

• thread：该参数值 ID 的线程终止后才会从该函数返回
• status：保存线程的 main 函数返回值的指针的变量地址值

成功时返回 0，失败时返回 -1。

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。另外，还能得到线程的 main 函数返回值。

下面是该函数的用法示例代码：

#include <stdio.h>
// #include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void *thread_main(void *arg);int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t t_id;int thread_param = 5;void *thr_ret;// 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if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0){puts("pthread_create() error");return -1;}// main函数将等待 ID 保存在 t_id 变量中的线程终止if (pthread_join(t_id, &thr_ret) != 0){puts("pthread_join() error");return -1;}printf("Thread return message : %s \n", (char *)thr_ret);free(thr_ret);// system("pause");return 0;
}void *thread_main(void *arg) // 传入的参数是 pthread_create 的第四个
{int i;int cnt = *((int *)arg);char *msg = (char *)malloc(sizeof(char) * 50);strcpy(msg, "Hello, I'm thread~ \n");for (int i = 0; i < cnt; i++){sleep(1);puts("running thread");}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
}

运行结果：

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。

下面是该函数的执行流程图：

可在临界区内调用的函数

在同步的程序设计中，临界区指的是一个访问共享资源（如共享设备、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。

稍后将讨论哪些代码可能成为临界区，多个线程同时执行临界区代码时会产生哪些问题等内容。现阶段只需理解临界区的概念即可。根据临界区是否引起问题，函数可分为以下2类：

• 线程安全函数
• 非线程安全函数

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。

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 gethostbyname 函数不是线程安全的：

struct hostent *gethostbyname(const char *hostname);

同时提供线程安全的同一功能的函数：

struct hostent *gethostbyname_r(const char *name,struct hostent *result,char *buffer,int intbuflen,int *h_errnop);

线程安全函数结尾通常是 _r（与 Windows 不同）。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：声明头文件前定义 _REENTRANT 宏。

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：

gcc -D_REENTRANT mythread.c -o mthread -lpthread

工作（Worker）线程模型

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」。

#include <stdio.h>
// #include <stdlib.h>
#include <pthread.h>void *thread_summation(void *arg);
int sum = 0;int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t id_t1, id_t2;int range1[] = {1, 5};int range2[] = {6, 10};pthread_create(&id_t1, NULL, thread_summation, (void *)range1);pthread_create(&id_t2, NULL, thread_summation, (void *)range2);pthread_join(id_t1, NULL);pthread_join(id_t2, NULL);printf("result: %d \n", sum);// system("pause");return 0;
}void *thread_summation(void *arg)
{int start = ((int *)arg)[0];int end = ((int *)arg)[1];while (start <= end){sum += start;start++;}return NULL;
}

该程序的执行流程图：

运行结果：

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。

但是本例子本身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。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>#define NUM_THREAD 100void *thread_inc(void *arg);
void *thread_des(void *arg);
long long num = 0;int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t thread_id[NUM_THREAD];int i;printf("sizeof long long: %d \n", sizeof(long long));for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++){if (i % 2)pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);elsepthread_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);system("pause");return 0;
}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;
}

运行结果：

理论上来说，上面代码的最后结果应该是 0。但实际上，每次运行的结果都不同，且不是 0。

线程存在的问题和临界区

多个线程访问同一变量的问题

上述代码的问题：2 个线程正在同时访问全局变量 num。

在详细解释问题之前，先了解一个概念———寄存器，它是存放值的地方。当线程从进程中获取值进行运算的时候，线程实际上会将这个值放入自己的寄存器在计算完成后才会重新更新进程内部的数据区。这种机制看似没啥问题，但是如果一但一个线程在将寄存器中的值更新回数据区之前它被操作系统中断掉，转而运行第二个线程，那么此时第二个线程实际上使用的是一个过期的值。

任何内存空间，只要被同时访问，都有可能发生问题。 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。

临界区位置

临界区的定义：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。

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。

临界区通常位于由线程运行的函数内部。

下面是刚才代码的两个 main 函数：

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;
}

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：

1. 2 个线程同时执行 thread_inc 函数
2. 2 个线程同时执行 thread_des 函数
3. 2 个线程分别执行 thread_inc 和 thread_des 函数

比如发生以下情况：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。

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。

线程同步

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。

同步的两面性

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：

• 同时访问同一内存空间时发生的情况
• 需要指定访问同一内存空间的线程顺序的情况

之前已解释过前一种情况，因此重点讨论第二种情况。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。

互斥量

互斥量是 Mutual Exclusion 的简写，表示不允许多个线程同时访问。互斥量主要用于解决线程同步访问的问题。

互斥量就像是一把锁，把临界区锁起来，不允许多个线程同时访问。下面是互斥量的创建及销毁函数：

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数：

• 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

成功时返回 0，失败时返回其他值。

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：

pthread_mutex_t mutex;

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 宏进行如下声明：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

但推荐尽可能的使用 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。

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

成功时返回 0 ，失败时返回其他值。

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，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。创建好互斥量的前提下，可以通过如下结构保护临界区：

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 临界区开始
// ...
// 临界区结束
pthread_mutex_unlock(&mutex);

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。

下面利用互斥量解决之前示例中遇到的问题：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>#define NUM_THREAD 100void *thread_inc(void *arg);
void *thread_des(void *arg);long long num = 0;
pthread_mutex_t mutex; // 保存互斥量读取值的变量int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t thread_id[NUM_THREAD];int i;pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 创建互斥量for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++){if (i % 2)pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);elsepthread_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);pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥量system("pause");return 0;
}void *thread_inc(void *arg)
{int i;pthread_mutex_lock(&mutex); // 上锁for (i = 0; i < 50000000; i++)num += 1;                 // 临界区pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁return NULL;
}
void *thread_des(void *arg)
{int i;for (i = 0; i < 50000000; i++){pthread_mutex_lock(&mutex);   // 上锁num -= 1;                     // 临界区pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁}return NULL;
}

运行结果：

thread_inc 函数中临界区的划分范围比较大，这是考虑到如下优点所做的决定：最大限度减少互斥量lock、unlock函数的调用次数。

信号量

销毁线程的 3 种方法

多线程并发服务器端的实现

习题

（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。

（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 的特别技术？

（3）请从执行流角度说明进程和线程的区别。

（6）请说明完全销毁 Linux 线程的 2 种办法。