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Linux运维工程师应该注意的多线程编程的事项

  • 发布:linux培训
  • 来源:Linux职场
  • 时间:2018-11-07 17:32

今天小编要跟大家分享的文章是Linux运维工程师应该注意的多线程编程的事项。熟悉Linux系统的小伙伴都知道,Linux平台上的多线程程序开发相对应其他平台(比如Windows)的多线程API有一些细微和隐晦的差别。不注意这些Linux上的一些开发陷阱,常常会导致程序问题不穷,死锁不断。今天小编就为大家准备了这篇文章,为大家分析Linux多线程编程上的问题,希望能够帮助各位小伙伴更好更快的熟悉Linux的多线程编程。

Linux上线程开发API的概要介绍

多线程开发在Linux平台上已经有成熟的Pthread库支持。其涉及的多线程开发的最基本概念主要包含三点:线程,互斥锁,条件。其中,线程操作又分线程的创建,退出,等待3种。互斥锁则包括4种操作,分别是创建,销毁,加锁和解锁。条件操作有5种操作:创建,销毁,触发,广播和等待。其他的一些线程扩展概念,如信号灯等,都可以通过上面的三个基本元素的基本操作封装出来。

线程,互斥锁,条件在Linux平台上对应的API可以用表1归纳。为了方便熟悉Windows线程编程的读者熟悉Linux多线程开发的API,我们在表中同时也列出Windows SDK库中所对应的API名称。

表1.线程函数列表

对象 操作Linux Pthread API Windows SDK库对应API

线程 创建pthread_create CreateThread

退出pthread_exit ThreadExit

等待pthread_join WaitForSingleObject

互斥锁 创建pthread_mutex_init CreateMutex

销毁pthread_mutex_destroy CloseHandle

加锁pthread_mutex_lock WaitForSingleObject

解锁pthread_mutex_unlock ReleaseMutex

条件 创建pthread_cond_init CreateEvent

销毁pthread_cond_destroy CloseHandle

触发pthread_cond_signal SetEvent

广播pthread_cond_broadcast SetEvent / ResetEvent

等待pthread_cond_wait / pthread_cond_timedwait SingleObjectAndWait

多线程开发在Linux平台上已经有成熟的Pthread库支持。其涉及的多线程开发的最基本概念主要包含三点:线程,互斥锁,条件。其中,线程操作又分线程的创建,退出,等待3种。互斥锁则包括4种操作,分别是创建,销毁,加锁和解锁。条件操作有5种操作:创建,销毁,触发,广播和等待。其他的一些线程扩展概念,如信号灯等,都可以通过上面的三个基本元素的基本操作封装出来。

Linux线程编程中的6条经验

1、尽量设置recursive属性以初始化Linux的互斥变量

互斥锁是多线程编程中基本的概念,在开发中被广泛使用。其调用次序层次清晰简单:建锁,加锁,解锁,销毁锁。但是需要注意的是,与诸如Windows平台的互斥变量不同,在默认情况下,Linux下的同一线程无法对同一互斥锁进行递归加速,否则将发生死锁。

所谓递归加锁,就是在同一线程中试图对互斥锁进行两次或两次以上的行为。其场景在Linux平台上的代码可由清单1所示。

清单1. Linux重复对互斥锁加锁实例

//通过默认条件建锁

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);

//递归加锁

pthread_mutex_lock (theMutex);

pthread_mutex_lock (theMutex);

pthread_mutex_unlock (theMutex);

pthread_mutex_unlock (theMutex);

在以上代码场景中,问题将出现在第二次加锁操作。由于在默认情况下,Linux不允许同一线程递归加锁,因此在第二次加锁操作时线程将出现死锁。

Linux互斥变量这种奇怪的行为或许对于特定的某些场景会所有用处,但是对于大多数情况下看起来更像是程序的一个bug。毕竟,在同一线程中对同一互斥锁进行递归加锁在尤其是二次开发中经常会需要。

这个问题与互斥锁的中的默认recursive属性有关。解决问题的方法就是显式地在互斥变量初始化时将设置起recursive属性。基于此,以上代码其实稍作修改就可以很好的运行,只需要在初始化锁的时候加设置一个属性。请看清单2。

清单2.设置互斥锁recursive属性实例

pthread_mutexattr_init(&attr);

//设置recursive属性

pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP);

pthread_mutex_init(theMutex,&attr);

因此,建议尽量设置recursive属性以初始化Linux的互斥锁,这样既可以解决同一线程递归加锁的问题,又可以避免很多情况下死锁的发生。这样做还有一个额外的好处,就是可以让Windows和Linux下让锁的表现统一。

2、注意Linux平台上触发条件变量的自动复位问题

条件变量的置位和复位有两种常用模型:第一种模型是当条件变量置位(signaled)以后,如果当前没有线程在等待,其状态会保持为置位(signaled),直到有等待的线程进入被触发,其状态才会变为复位(unsignaled),这种模型的采用以Windows平台上的Auto-set Event为代表。其状态变化如图1所示:

图1. Windows的条件变量状态变化流程

<a style='color:blue' href='http://linux.tedu.cn/'>Linux运维</a>工程师应该注意的多线程编程的事项

第二种模型则是Linux平台的Pthread所采用的模型,当条件变量置位(signaled)以后,即使当前没有任何线程在等待,其状态也会恢复为复位(unsignaled)状态。其状态变化如图2所示:

图2. Linux的条件变量状态变化流程

Linux运维工程师应该注意的多线程编程的事项

具体来说,Linux平台上Pthread下的条件变量状态变化模型是这样工作的:调用pthread_cond_signal()释放被条件阻塞的线程时,无论存不存在被阻塞的线程,条件都将被重新复位,下一个被条件阻塞的线程将不受影响。而对于Windows,当调用SetEvent触发Auto-reset的Event条件时,如果没有被条件阻塞的线程,那么条件将维持在触发状态,直到有新的线程被条件阻塞并被释放为止。

这种差异性对于那些熟悉Windows平台上的条件变量状态模型而要开发Linux平台上多线程的程序员来说可能会造成意想不到的尴尬结果。试想要实现一个旅客坐出租车的程序:旅客在路边等出租车,调用条件等待。出租车来了,将触发条件,旅客停止等待并上车。一个出租车只能搭载一波乘客,于是我们使用单一触发的条件变量。这个实现逻辑在第一个模型下即使出租车先到,也不会有什么问题,其过程如图3所示:

图3.采用Windows条件变量模型的出租车实例流程

Linux运维工程师应该注意的多线程编程的事项

然而如果按照这个思路来在Linux上来实现,代码看起来可能是清单3这样。

清单3. Linux出租车案例代码实例

//提示出租车到达的条件变量

pthread_cond_t taxiCond;

//同步锁

pthread_mutex_t taxiMutex;

//旅客到达等待出租车

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 );

}

//出租车到达

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,运行一下,看看结果如清单4。

清单4.程序结果输出

Taxi Jack arrives.

Traveler Susan needs a taxi now!

Taxi Mike arrives.

Traveler Susan now got a taxi.

其过程如图4所示:

图4.采用Linux条件变量模型的出租车实例流程

Linux运维工程师应该注意的多线程编程的事项

通过对比结果,你会发现同样的逻辑,在Linux平台上运行的结果却完全是两样。对于在Windows平台上的模型一,Jack开着出租车到了站台,触发条件变量。如果没顾客,条件变量将维持触发状态,也就是说Jack停下车在那里等着。直到Susan小姐来了站台,执行等待条件来找出租车。Susan搭上Jack的出租车离开,同时条件变量被自动复位。

但是到了Linux平台,问题就来了,Jack到了站台一看没人,触发的条件变量被直接复位,于是Jack排在等待队列里面。来迟一秒的Susan小姐到了站台却看不到在那里等待的Jack,只能等待,直到Mike开车赶到,重新触发条件变量,Susan才上了Mike的车。这对于在排队系统前面的Jack是不公平的,而问题症结是在于Linux平台上条件变量触发的自动复位引起的一个Bug。

条件变量在Linux平台上的这种模型很难说好坏。但是在实际开发中,我们可以对代码稍加改进就可以避免这种差异的发生。由于这种差异只发生在触发没有被线程等待在条件变量的时刻,因此我们只需要掌握好触发的时机即可。最简单的做法是增加一个计数器记录等待线程的个数,在决定触发条件变量前检查下该变量即可。改进后Linux函数如清单5所示。

清单5. Linux出租车案例代码实例

//提示出租车到达的条件变量

pthread_cond_t taxiCond;

//同步锁

pthread_mutex_t taxiMutex;

//旅客人数,初始为0

int travelerCount=0;

//旅客到达等待出租车

void * traveler_arrive(void * name) {

cout<<”Traveler:”<<(char *)name<<”needs a taxi now!”<<endl;

pthread_mutex_lock(&taxiMutex);

//提示旅客人数增加

travelerCount++;

pthread_cond_wait (&taxiCond, &taxiMutex);

pthread_mutex_unlock (&taxiMutex);

cout<<”Traveler:”<< (char *)name <<”now got a taxi!”<<endl;

pthread_exit( (void *)0 );

}

//出租车到达

void * taxi_arrive(void *name)

{

cout<<”Taxi”<<(char *)name<<”arrives.”<<endl;

while(true)

{

pthread_mutex_lock(&taxiMutex);

//当发现已经有旅客在等待时,才触发条件变量

if(travelerCount>0)

{

pthread_cond_signal(&taxtCond);

pthread_mutex_unlock (&taxiMutex);

break;

}

pthread_mutex_unlock (&taxiMutex);

}

pthread_exit( (void *)0 );

}

因此我们建议在Linux平台上要出发条件变量之前要检查是否有等待的线程,只有当有线程在等待时才对条件变量进行触发。

3、注意条件返回时互斥锁的解锁问题

在Linux调用pthread_cond_wait进行条件变量等待操作时,我们增加一个互斥变量参数是必要的,这是为了避免线程间的竞争和饥饿情况。但是当条件等待返回时候,需要注意的是一定不要遗漏对互斥变量进行解锁。

Linux平台上的pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)函数返回时,互斥锁mutex将处于锁定状态。因此之后如果需要对临界区数据进行重新访问,则没有必要 对mutex就行重新加锁。但是,随之而来的问题是,每次条件等待以后需要加入一步手动的解锁操作。正如前文中乘客等待出租车的Linux代码如清单6所示:

清单6.条件变量返回后的解锁实例

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 );

}

这一点对于熟悉Windows平台多线程开发的开发者来说尤为重要。Windows上的SignalObjectAndWait()函数是常与Linux平台上的pthread_cond_wait()函数被看作是跨平台编程时的一对等价函数。但是需要注意的是,两个函数退出时的状态是不一样的。在Windows平台上,SignalObjectAndWait(HANDLE a, HANDLE b,……)方法在调用结束返回时的状态是a和b都是置位(signaled)状态,在普遍的使用方法中,a经常是一个Mutex变量,在这种情况下,当返回时,Mutex a处于解锁状态(signaled),Event b处于置位状态(signaled),因此,对于Mutex a而言,我们不需要考虑解锁的问题。而且,在SignalObjectAndWait()之后,如果需要对临界区数据进行重新访问,都需要调用WaitForSingleObject()重新加锁。这一点刚好与Linux下的pthread_cond_wait()完全相反。

Linux对于Windows的这一点额外解锁的操作区别很重要,一定得牢记。否则从Windows移植到Linux上的条件等待操作一旦忘了结束后的解锁操作,程序将肯定会发生死锁。

4、等待的绝对时间问题

超时是多线程编程中一个常见的概念。例如,当你在Linux平台下使用pthread_cond_timedwait()时就需要指定超时这个参数,以便这个API的调用者最多只被阻塞指定的时间间隔。但是如果你是第一次使用这个API时,首先你需要了解的就是这个API当中超时参数的特殊性(就如本节标题所提示的那样)。我们首先来看一下这个API的定义。pthread_cond_timedwait()定义请看清单7。

清单7. pthread_cond_timedwait()函数定义

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,

pthread_mutex_t *restrict mutex,

const struct timespec *restrict abstime);

参数abstime在这里用来表示和超时时间相关的一个参数,但是需要注意的是它所表示的是一个绝对时间,而不是一个时间间隔数值,只有当系统的当前时间达到或者超过abstime所表示的时间时,才会触发超时事件。这对于拥有Windows平台线程开发经验的人来说可能尤为困惑。因为Windows平台下所有的API等待参数(如SignalObjectAndWait,等)都是相对时间,假设我们指定相对的超时时间参数如dwMilliseconds(单位毫秒)来调用和超时相关的函数,这样就需要将dwMilliseconds转化为Linux下的绝对时间参数abstime使用。常用的转换方法如清单8所示:

清单8.相对时间到绝对时间转换实例

/* 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的绝对时间看似简单明了,却是开发中一个非常隐晦的陷阱。而且一旦你忘了时间转换,可以想象,等待你的错误将是多么的令人头疼:如果忘了把相对时间转换成绝对时间,相当于你告诉系统你所等待的超时时间是过去式的1970年1月1号某个时间段,于是操作系统毫不犹豫马上送给你一个timeout的返回值,然后你会举着拳头抱怨为什么另外一个同步线程耗时居然如此之久,并一头扎进寻找耗时原因的深渊里。

5、正确处理Linux平台下的线程结束问题

在Linux平台下,当处理线程结束时需要注意的一个问题就是如何让一个线程善始善终,让其所占资源得到正确释放。在Linux平台默认情况下,虽然各个线程之间是相互独立的,一个线程的终止不会去通知或影响其他的线程。但是已经终止的线程的资源并不会随着线程的终止而得到释放,我们需要调用pthread_join()来获得另一个线程的终止状态并且释放该线程所占的资源。Pthread_join()函数的定义如清单9。

清单9. pthread_join函数定义

int pthread_join(pthread_t th, void **thread_return);

调用该函数的线程将挂起,等待th所表示的线程的结束。thread_return是指向线程th返回值的指针。需要注意的是th所表示的线程必须是joinable的,即处于非detached(游离)状态;并且只可以有唯一的一个线程对th调用pthread_join()。如果th处于detached状态,那么对th的pthread_join()调用将返回错误。

如果你压根儿不关心一个线程的结束状态,那么也可以将一个线程设置为detached状态,从而来让操作系统在该线程结束时来回收它所占的资源。将一个线程设置为detached状态可以通过两种方式来实现。一种是调用pthread_detach()函数,可以将线程th设置为detached状态。其申明如清单10。

清单10. pthread_detach函数定义

int pthread_detach(pthread_t th);

另一种方法是在创建线程时就将它设置为detached状态,首先初始化一个线程属性变量,然后将其设置为detached状态,最后将它作为参数传入线程创建函数pthread_create(),这样所创建出来的线程就直接处于detached状态。方法如清单11。

清单11.创建detach线程代码实例

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);

总之为了在使用Pthread时避免线程的资源在线程结束时不能得到正确释放,从而避免产生潜在的内存泄漏问题,在对待线程结束时,要确保该线程处于detached状态,否着就需要调用pthread_join()函数来对其进行资源回收。

总结与补充

以上部分详细介绍了Linux的多线程编程的5条高效开发经验。另外你也可以考虑尝试其他一些开源类库来进行线程开发。

1. Boost库

Boost库来自于由C++标准委员会类库工作组成员发起,致力于为C++开发新的类库的Boost组织。虽然该库本身并不是针对多线程而产生,但是发展至今,其已提供了比较全面的多线程编程的API支持。Boost库对于多线程支持的API风格上更类似于Linux的Pthread库,差别在于其将线程,互斥锁,条件等线程开发概念都封装成了C++类,以方便开发调用。Boost库目前对跨平台支持的很不错,不仅支持Windows和Linux,还支持各种商用的Unix版本。如果开发者想使用高稳定性的统一线程编程接口减轻跨平台开发的难度,Boost库将是首选。

2. ACE

ACE全称是ADAPTIVE Communication Environment,它是一个免费的,开源的,面向对象的工具框架,用以开发并发访问的软件。由于ACE最初是面向网络服务端的编程开发,因此对于线程开发的工具库它也能提供很全面的支持。其支持的平台也很全面,包括Windows,Linux和各种版本Unix。ACE的唯一问题是如果仅仅是用于线程编程,其似乎显得有些过于重量级。而且其较复杂的配置也让其部署对初学者而言并非易事。

以上就是小编今天为大家分享的关于Linux运维工程师应该注意的多线程编程的事项的文章,希望本篇文章能够对正在从事Linux运维工作的你有所帮助。想要了解更多Linux相关知识记得关注达内Linux培训官网。

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