Linux 的多线程编程的高效开发经验

Linux 的多线程编程的高效开发经验

    本文中我们针对 Linux 上多线程编程的主要特性总结出 5 条经验，用以改善 Linux 多线程编程的习惯和避免其中的开发陷阱。在本文中，我们穿插一些 Windows 的编程用例用以对比 Linux 特性，以加深读者印象。

    背景

    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。本文中我们从 5 个方面总结出 Linux 多线程编程上的问题，并分别引出相关改善的开发经验，用以避免这些的陷阱。我们希望这些经验可以帮助读者们能更好更快的熟悉 Linux 平台的多线程编程。

    我们假设读者都已经很熟悉 Linux 平台上基本的线程编程的 Pthread 库 API 。其他的第三方用以线程编程的库，如 boost，将不会在本文中提及。本文中主要涉及的题材包括线程开发中的线程管理，互斥变量，条件变量等。进程概念将不会在本文中涉及。

    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

    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 5 条经验

    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。