课堂笔记九之嵌入式C多线程开发
一、信号
1、信号是一种向进程发送通知，告诉其某件事情发生了的一种简单通信机制
2、信号的产生
（1）另一个进程发送信号
（2）内核发送信号底层硬件发送信号
（3）底层硬件发送信号
3、信号列表
（1）常用信号
4、信号发送
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
kill命令就是调用这个函数来实现。
#include <signal.h>
int raise(int sig);
功能：
1）kill：向PID所指向的进程发送指定的信号。
2）raise：向当前进程发送指定信号。
返回值：
1）kill：成功返回0，失败返回-1，errno被设置。
2）rasie：成功返回0，失败返回非0。
（1）int kill(pid_t pid,int sig);
（2）int raise(int sig);
（3）unsigned int alarm(unsigned int seconds);
（4）void abort();
5、进程挂起pause
pause：只要一直处于休眠状态，表示pause函数一直是调用成功的。
当被信号唤醒后会返回-1，表示失败了，errno的错误号被设置EINTR（表示函数被信号中断）6、信号处理方式
（1）忽略：收到信号等于没收到；
（2）执行用户需要执行的动作（捕获）：收到信号，不做默认处理，做想要的处理；
（3）默认处理：信号自生作用（终止）。
7、信号处理API
（1）sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
参数：
1）signum：信号编号。
2）handler：信号处理方式。
sighandler_t是被typedef后的类型，原类型 void (*)(int)，这是一个函数指针类型。
sighandler_t handler也有直接写成void (*handler)(int)；
sighandler_t signal(int signum, void (*handler)(int));
a. 忽略：SIG_IGN
b.默认：SIG_DFL
c.捕获：填写类型为void (*)(int)的捕获函数的地址，当信号发生时，会自动调用捕获函数来进行相应的处理。
当然这个捕获函数需要我们自己来实现，捕获函数的int参数，用于接收信号编号。捕获函数也被称为信号处理函数。
返回值:
成功：返回上一次的处理方式
失败：返回SIG_ERR宏值，并且设置errno。
二、线程
1、线程是任务调度和执行的基本单位
2、为什么会有线程？
（1）进程实现多任务的缺点
1）进程间切换的计算机资源开销很大，切换效率非常低
OS是通过虚拟内存机制来实现进程空间独立的，进程在并发运行时需要相互间的切换，切换时必然需要涉及虚拟内存机制的控制，但是虚拟内存机制比较复杂，所以在进行进程间切换时，会耗费高昂的cpu、缓存(cache)、内存等计算机资源，也非常耗费切换时间。
2）进程间数据共享的开销也很大
当程序涉及多进程时，往往会涉及到进程间的通信，但是由于进程空间的独立性，OS提供了各种各样的通信机制，这些通信机制共同原理就是，通过OS来转发进程间的数据，但是调用OS提供的这些通信机制的函数时，这些OS函数的运行也是需要消耗相当cpu、内存等计算机资源的，同时也很耗费时间。
（2）线程和进程的关系
1）线程是进程的一个执行单元，是进程内的调度实体。比进程更小的独立运行的基本单位。线程也被称为轻量级进程。
2）同一进程的线程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间。
3）进程退出，进程中所有线程全部退出。
4）一个进程崩溃后，不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。
5）线程不可能完全替代进程。
6）线程拥有独立的属性。
A、每个线程拥有自己独立的线程ID（TID)
B、每个线程有独立的切换状态
C、调度优先级
D、有自己独立的函数栈
E、自己独立的错误号
F、每一个线程有自己独立的信号屏蔽字和未决信号集
G、每个线程有自己独立的tack_struct结构体
3、线程的特点
（1）线程切换的开销很低（实质是函数的切换）
（2）线程通信机制简单（全局变量）
4、线程操作
（1）线程函数是由谁提供的？
1）非OS，而是线程库libpthread.a/.so
原本线程函数也可以完全由OS来实现，但是后来为了不给OS增加负担，同时也为了提高线程的灵活性，后来的线程就不在由OS提供，而是由单独的线程库来提供，不过线程库在实现时，也是调用了相应的系统API的，也就是说线程的核心实现也是离不开OS支持的。
2）线程控制函数有：pthread_create、pthread_join、 pthread_detach、pthread_cancel、pthread_exit等。
（2）线程库和函数手册的安装
1）sudo apt-get install glibc-doc :安装线程库
2）sudo apt-get install manpages-posix-dev：安装线程库的函数手册
（3）线程创建
1）int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);
返回值：
成功：返回0，失败：返回非零错误号。
参数：
thread存放线程的TID。
attr用于设置线程属性，设置线程属性的目的是为了实现某些特殊功能，如果设置为NULL，表示不设置特有的属性，使用线程默认属性所提供的功能即可。正常情况下，线程默认属性所提供的功能就已经够用了，所以这个参数我们都是设置为NULL。
start_routine：要注册为线程的函数地址
arg：传递给线程函数的参数，这个参数会传递给pth_arg，如果参数很多的话，我们做成一个结构体，然后把结构体变量的地址传过去。如果你不想传递参数的话，你可以设置为NULL。
（4）线程退出
1）被动退出：int pthread_cancel(pthread_t thread);
2）主动退出
3）注册线程退出处理函数
A、void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);
B、弹栈线程退出处理函数的几种条件
（a）调用thread_cleanup_pop(!0)，主动弹栈
（b）如果线程是被别人调用pthread_cancel取消的，也会弹栈
（c）如果线程是调用pthread_exit函数退出的，也会弹栈
（d）注：return退出的话，是不会自动弹栈的，要弹栈的话，必须主动调动 thread_cleanup_pop(!0)。（4）线程等待
A、等待线程的目的
（a）保证线程的退出顺序：保证一个线程退出并且回收资源后允许下一个进程退出
（b）回收线程退出时的资源情况：保证当前线程退出后，创建的新线程不会复用刚才退出线程的地址空间
（c）获得新线程退出时的结果是否正确的退出返回值，这个有点类似回收僵尸进程的wait，保证不会发生内存泄露等问题
B、int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
（a）线程资源为什么不采用进程退出之后一起回收？有些程序（进程）一旦运行后将会长期运行，不会结束，所以次线程在结束时必须回收资源，如果不回收，每结束一个次线程就导致一部分资源被占用，慢慢累积会使得整个进程资源越用越少，最好导致进程崩溃，所以次线程结束时，必须回收次线程资源。
（2）线程状态
A、可结合态
（a）这种状态下的线程是能够被其他进程回收其资源或杀死的
B、分离态
（a）这种状态下的线程是不能够被其他线程回收或杀死的；它的存储资源在它终止时由系统自动释放
C、默认情况下，线程被创建成可结合的！
D、如何避免多线程退出导致的内存泄漏？
（a）每个可结合线程需要显示的调用pthread_join回收
（b）将其变成分离态的线程线程分离函数—–pthread_detach
5、线程同步
（1）线程 VS 进程
1）进程：进程空间天然是独立的，因此进程间资源的保护是天然的（现成的），需要重点关心的进程间的通信
2）线程：多线程天然的共享进程空间，因此线程数据共享是天然的（现成的），需要重点关心的是资源的保护
（2）线程的资源保护机制
1）互斥锁（只能在线程里用）
A、互斥锁使用的步骤
（a）定义一个互斥锁（变量）pthread_mutex_t mutex；
（b）初始化互斥锁：预设互斥锁的初始值初始化互斥锁的函数a）
函数原型:
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
功能：初始化定义的互斥锁什么是初始化，就是设置互斥锁所需要的值。
返回值：总是返回0，所以这个函数不需要进行出错处理。
参数：
- mutex：互斥锁，需要我们自己定义。比如：pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_t是一个结构体类型，所以mutex实际上是一个结构体变量。
- attr：互斥锁的属性
置NULL表示使用默认属性，除非我们想要实现一些互斥锁的特殊功能，否则默认属性就够用了。pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 编译时初始化锁位解锁状态
（c）加锁解锁
pthread_mutex_lock(&mutex)（阻塞加锁）访问临界区加锁操作；
pthread_mutex_trylock( &mutex)（非阻塞加锁）;
pthread_mutex_lock() 类似，不同的是在锁已经被占据时返回 EBUSY 而不是挂起等待；
pthread_mutex_unlock(&mutex): 访问临界区解锁操。
（d）进程退出时销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy
函数原型：
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
功能：销毁互斥锁；所谓销毁，说白了就是删除互斥锁相关的数据，释放互斥锁数据所占用的各种内存资源。
返回值：成功返回0，失败返回非零错误号
2）线程信号量
A、线程信号量使用步骤
（a）定义信号量集合信号量集合需要我们自己定义，比如：sem_t sem[3]，线程信号量集合其实就是一个数组，数组每个元素就是一个信号量。
sem[0]：第一个信号量
sem[1]：第二个信号量
sem[2]：第三个信号量
（b）初始化集合中的每个信号量
初始化信号量的函数
函数原型：#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
功能：初始化线程信号量集合中的某个信号量，给它设置一个初始值。
返回值：成功返回0，失败返回-1，errno被设置。
注意信号量的错误号不是返回的，而是设置到errno中。
参数： - sem：信号量集合中的某个信号量信号量
集合需要我们自己定义，比如：sem_t sem[3]，线程信号量集合其实就是一个数组，数组每个元素就是一个信号量。
sem[0]：第一个信号量
sem[1]：第二个信号量
sem[2]：第三个信号量
sem_init(&sem[0], int pshared, unsigned int value);线程信号量集合其实就是自定义的一个数组，而进程信号量集合则是通过semget函数创建的。
我们只要把数组定义为全局变量，所有的线程即可共享使用，不像进程信号量，需要semid才能实现共享操作。 - pshared：
- 0：给线程使用
- !0：可以给进程使用
不过对于进程来说，我们更多的还是使用进程信号量，因为线程信号量用到进程上时，存在一些不稳定的情况。
- value：初始化值
对于二值信号量来说，要么是1，要么是0。
（c）p、v操作
P操作
函数原型：
#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem);//阻塞p操作
功能：阻塞p操作集合中某个信号量，值-1
如果能够p操作成功最好，否则就阻塞直到p操作操作成功为止。
返回值：成功返回0，失败返回-1，errno被设置。
参数：p操作的某个信号量。
比如：sem_wait(&sem[0]);
sem_wait的兄弟函数
int sem_trywait(sem_t *sem)：不阻塞
如果能够p操作就p操作，如果不能p操作就出错返回，不会阻塞。
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
可以设置阻塞时间，如果能够p操作就p操作，不能就阻塞，如果在设置的时间内好没有p操作成功就是出错返回，不再阻塞。
这两个函数了解即可，不需要掌握，如果你真的用到了，自己举一反三即可搞定。
v操作
函数原型：
#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);
功能：对某个信号量进行v操作，v操作不存在阻塞问题。
v操作成功后，信号量的值会+1
返回值：成功返回0，失败返回-1，errno被设置。
（d）进程结束时，删除线程信号量集合
删除信号量
函数原型：
#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);
功能：删除某个信号量，把所有信号量都删除后，信号量集合就被销毁。
这与删除进程信号量集合有所不同，对于进程信号量集合来说，只要删除一个信号量，整个集合即被删除，但是对于线程信号量来说，需要一个一个的删除，当所有信号量都删除完后，集合才被删除完毕。
B、代码实例
（a）实现多个线程同步；按照顺序执行
3）条件变量
A、条件变量的作用（线程协同）
多线程配合工作时，当线程检测到某条件不满足时就休眠，直到别的线程将条件准备好，然后通过条件变量将其唤醒。
（a）主线程对va变量循环+1，次线程发现va==5时，打印va的值并将va清0，如果va的值!=5就什么都不做
B、注：条件变量需要在互斥锁的配合下才能工作。
C、条件变量的使用步骤：
（a）定义一个条件变量（全局变量）由于条件变量需要互斥锁的配合，所以还需要定义一个线程互斥锁。
条件变量的类型：pthread_cond_t
（b）初始化条件变量
函数原型：
#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
功能：初始化条件变量，与互斥锁的初始化类似。
pthread_cond_t cond; //定义条件变量pthread_cond_init(&cond, NULL); //第二个参数为NULL，表示不设置条件变量的属性。
也可以直接初始化：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//与互斥锁的初始化的原理是一样的
返回值：成功返回0，失败返回非零错误号
参数：
- cond：条件变量
- attr：用于设置条件变量的属性，设置为NULL，表示使用默认属性
（c）使用条件变量
等待条件的函数
函数原型：
#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
功能：检测条件变量cond，如果cond没有被设置，表示条件还不满足，别人还没有对cond进行设置，此时pthread_cond_wait会休眠（阻塞），直到别的线程设置cond表示条件准备好后，才会被唤醒。
返回值：成功返回0，失败返回非零错误号
参数： - cond：条件变量
- mutex：和条件变量配合使用的互斥锁
pthread_cond_wait的兄弟函数
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, \pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
多了第三个参数，用于设置阻塞时间，如果条件不满足时休眠（阻塞），但是不会一直休眠，当时间超时后，如果cond还没有被设置，函数不再休眠。
设置条件变量的函数
函数原型：
#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
功能：当线程将某个数据准备好时，就可以调用该函数去设置cond，表示条件准备好了，pthread_cond_wait检测到cond被设置后就不再休眠（被唤醒），线程继续运行，使用别的线程准备好的数据来做事。
当调用pthread_cond_wait函数等待条件满足的线程只有一个时，就是用pthread_cond_signal来唤醒，如果说有好多线程都调用pthread_cond_wait在等待时，使用int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);它可以将所有调用pthread_cond_wait而休眠的线程都唤醒。
代码演示
调用pthread_cond_signal去设置条件变量，相当是给pthread_cond_wait发送了一个线程间专用的信号，通知调用pthread_cond_wait的线程，某某条件满足了不要再睡了，赶紧做事吧。
（d）删除条件变量，也需要把互斥锁删除。
删除条件变量
函数原型：
#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
6、进程 VS 线程
（1）多线程比多进程成本低，但性能更低
1）多进程是立体交通系统，虽然造价高，上坡下坡多耗点油，但是不堵车。
2）多线程是平面交通系统，造价低，但红绿灯太多，老堵车。
（2）区别
1）进程是资源分配的最小单位，线程是任务调度的最小单位；
2）每个进程拥有独立的地址空间，多个线程共享进程地址空间
A、线程之间切换比进程之间切换开销少；
B、线程的调度必须通过频繁加锁来保持同步，影响了线程并发性能；
C、进程比线程更健壮，多进程之间相互独立，进程的异常对其他进程无影响，一个线程的崩溃可能影响其他线程或者整个程序；
D、线程之间的通信更方便（小数据量），同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。不过如何处理好同步与互斥是编写多线程程序的难点。E、多线程的代码结构比多进程代码结构易读；
（3）如何选择？
1）需要频繁创建销毁的优先用线程
2）高性能交易服务器中间件，如TUXEDO，都是主张多进程的
3）需要进行大量计算的优先使用线程
4）强相关的处理用线程，弱相关的处理用进程
5）多机分布的用进程，多核分布的用线程