《Linux高级系统编程》教学教案—04多线程
Linux系统编程教学大纲
Linux高级系统编程课程教学大纲课程编号：201709210012学分：3学分学时：40学时（其中：讲授学时：24学时上机学时：16学时）先修课程：无后续课程：适用专业：计算机相关专业开课部门：计算机系一、课程性质与目标Linux高级系统编程是计算机专业学生的一门重要专业拓展选修课。
本课程中共12章。
分别包括：文件与目录、I/O、进程、多线程编程、早期进程间通信、System V IPC、Linux 网络编程概述、网络基本编程、服务器模型、网络高级编程、SQlite数据库、小区物业停车管理系统。
本书可作为高等院校计算机、软件工程等专业Linux课程的教材及教学参考书，也可以作为培训机构的培训用书，还可作为后端开发人员的参考书。
二、课程的主要内容及基本要求第1章文件与属性（4学时）[知识点]文件属性目录操作文件系统[重点]目录操作文件系统[难点]目录操作文件系统[基本要求]了解Linux系统中文件的类型掌握获取文件的属性信息的方法掌握文件的存取权限与目录的操作方法掌握文件系统的概念[实践与练习]完成相关习题。
第2章 I/O（4学时）[知识点]I/O的基本概念Linux标准I/OLinux文件I/O[重点]I/O的基本概念Linux标准I/OLinux文件I/O[难点]Linux标准I/OLinux文件I/O[基本要求]了解Linux操作系统框架熟练掌握标准I/O的系列编程接口的用法熟练掌握文件I/O的系列编程接口的用法熟练使用应用层编程接口实现对文件操作[实践与练习]完成相关习题。
第3章进程（4学时）[知识点]进程的基本概念进程编程[重点]进程的基本概念进程编程[难点]进程编程[基本要求]了解进程的概念掌握进程的相关属性信息掌握进程的创建及进程的回收方法掌握进程的内存、调度、控制、资源使用方法[实践与练习]完成相关习题。
第4章多线程（4学时）[知识点]线程基本编程线程同步互斥机制线程池[重点]线程基本编程线程同步互斥机制线程池[难点]线程同步互斥机制线程池[基本要求]了解进程与线程的关系、线程的概念掌握多线程编程的操作方法掌握线程的通信、同步互斥机制掌握基本的线程池编程方法[实践与练习]完成相关习题。
linux多任务编程课程设计
linux多任务编程课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握Linux多任务编程的基本概念、原理和方法，培养学生具备编写并发程序的能力。
具体目标如下：1.知识目标：–理解Linux操作系统的基本架构和多任务概念；–掌握进程的创建、管理、同步和通信机制；–熟悉线程的创建、同步和调度策略；–了解网络编程和并发编程的基本方法。
2.技能目标：–能够使用Linux命令行工具进行进程管理和调试；–能够编写简单的进程创建、同步和通信程序；–能够编写基于多线程的并发程序；–能够利用网络编程实现基本的客户端-服务器通信。
3.情感态度价值观目标：–培养学生对Linux操作系统的兴趣和好奇心，提高学生的学习积极性；–培养学生团队合作精神和自主学习能力，提高学生在实际项目中解决问题的能力；–培养学生对编程事业的热爱，树立正确的职业观念。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.Linux操作系统简介：介绍Linux的基本架构、命令行工具和环境配置。
2.进程管理：讲解进程的创建、管理、同步和通信机制，并通过实例演示进程间通信的方法。
3.线程编程：介绍线程的创建、同步和调度策略，以及线程安全的处理方法。
4.网络编程：讲解网络编程的基本方法，包括套接字编程和多线程网络通信。
5.并发编程：介绍并发编程的基本概念和方法，以及并发程序的设计和调试技巧。
三、教学方法本课程采用讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等多种教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性。
1.讲授法：通过讲解基本概念、原理和方法，使学生掌握多任务编程的基本知识。
2.讨论法：学生分组讨论案例，培养学生的思考能力和团队合作精神。
3.案例分析法：分析实际项目中的多任务编程问题，引导学生运用所学知识解决实际问题。
4.实验法：提供实验设备和环境，让学生动手编写和调试多任务程序，提高学生的实践能力。
四、教学资源本课程所需的教学资源包括：1.教材：《Linux多任务编程教程》；2.参考书：《Linux内核设计与实现》、《UNIX网络编程》等；3.多媒体资料：教学PPT、视频教程等；4.实验设备：计算机、网络设备等；5.编程工具：GCC、GDB等。
LINUX环境高级编程-线程解读
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互斥量在使用前，必须要对互斥量进行初始化 函数原型
#include<pthread.h> int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); ◦ mutex：即互斥量，类型是pthread_mutex_t ◦ 注意：mutex必须指向有效的内存区域 ◦ attr：设置互斥量的属性，通常可采用默认属性，即可将attr 设为NULL。后面再讨论互斥量的属性 ◦ 成功返回0，出错返回错误码
◦ 成功返回0，否则返回错误编号 ◦ thread：需要等待的线程ID ◦ rval_ptr：
若线程从启动例程返回，rval_ptr将包含返回码 若线程由于pthread_exit终止，rval_ptr即pthread_exit的参数 若线程被取消，由rval_ptr指定的内存单元就置为 PTHREAD_CANCELED 若不关心线程返回值，可将该参数设置为NULL
3
LinuxThreads项目最初将多线程的概念引入了 Linux，但是 LinuxThreads 并不完全遵守 POSIX 线程标准，并且存在设计的一些局限性; 为了改进Linux线程性能，IBM投资开发 NGPT （Next-Generation POSIX Threads）项目，Red Hat主导本地化POSIX线程库 (Native POSIX Thread Library，简称为NTPL)项目。 大部分现代 Linux 发行版都预装了 LinuxThreads 或 NPTL，要查看您的系统上正在使用的是哪个线 程库，请运行下面的命令：
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pthread_self函数可以使调用线程获取自己的线程ID 函数原型
Linux下的多线程编程上机学习材料
Linux下的多线程编程上机准备吴雨龙目录1.我们为什么要练习多线程？（多线程的好处） (3)2.Linux下的多线程编程必备知识 (3)1)VIM的使用 (3)a)指令模式下常用命令 (3)b)插入模式 (4)2)编译器gcc的使用必知 (4)3)调试器gdb的使用 (4)4)Linux下的C编程常用头文件介绍 (4)3.Linux多线程编程相关函数介绍 (5)1)主要线程函数介绍 (5)a)线程创建函数pthread_create() (5)b)线程终止函数pthread_exit() (6)c)控制线程同步的函数pthread_exit() (6)2)信号量 (7)a)sem_init（） (7)b)sem_wait()和sem_trywait() (7)c)sem_post() (8)d)sem_getvalue() (8)e)sem_destroy() (8)3)互斥锁 (8)a)互斥锁初始化：pthread_mutex_init() (8)b)互斥锁上锁：pthread_mutex_lock() (9)c)互斥锁解锁：pthread_mutex_unlock() (9)d)撤销互斥锁：pthread_mutex_destroy() (9)4.Linux下的多线程编程引例 (9)1)引例一：基本的线程程序——理解Linux多线程程序的基本结构 (9)a)源代码 (9)b)程序解析 (10)2)引例二：两个线程的同时执行——最简单的线程协调模型 (11)a)源代码 (11)b)程序解析 (12)3)引例三：信号量的使用——借助信号量体现多线程分工合作的思想 (12)a)源代码 (12)b)程序解析 (14)4)引例四：使用互斥量——将引例三改为用互斥量实现 (14)a)源代码 (14)b)程序解析 (16)5)引例五：一个简单的真正多个线程的程序——真正的多线程 (16)a)源代码 (16)b)程序解析 (17)c)思考一下吧... .. (18)1.我们为什么要练习多线程？（多线程的好处）1) 提高应用程序响应。
多线程编程之：Linux线程概述
多线程编程之：Linux线程概述
9.1 Linux 线程概述
9.1.1 线程概述
前面已经提到，进程是系统中程序执行和资源分配的基本单位。
每个进程都拥有自己的数据段、代码段和堆栈段，这就造成了进程在进行切换等操作时都需要有比较复杂的上下文切换等动作。
为了进一步减少处理机的空转时间，支持多处理器以及减少上下文切换开销，进程在演化中出现了另一个概念线程。
它是进程内独立的一条运行路线，处理器调度的最小单元，也可以称为轻量级进程。
线程可以对进程的内存空间和资源进行访问，并与同一进程中的其他线程共享。
因此，线程的上下文切换的开销比创建进程小很多。
同进程一样，线程也将相关的执行状态和存储变量放在线程控制表内。
一个进程可以有多个线程，也就是有多个线程控制表及堆栈寄存器，但却共享一个用户地址空间。
要注意的是，由于线程共享了进程的资源和地址空间，因此，任何线程对系统资源的操作都会给其他线程带来影响。
由此可知，多线程中的同步是非常重要的问题。
在多线程系统中，进程与进程的关系如图9.1 所示。
图9.1 进程与线程关系
9.1.2 线程机制的分类和特性
线程按照其调度者可以分为用户级线程和核心级线程两种。
(1)用户级线程。
用户级线程主要解决的是上下文切换的问题，它的调度算法和调度过程全部由用户自行选择决定，在运行时不需要特定的内核支持。
在这里，操作系。
Linux多线程编程问题
Linux 多线程编程问题1重入问题传统的UNIX没有太多考虑线程问题，库函数里过多使用了全局和静态数据，导致严重的线程重入问题。
1.1–D_REENTRANT /-pthread和errno的重入问题。
所先UNIX的系统调用被设计为出错返回-1，把错误码放在errno中（更简单而直接的方法应该是程序直接返回错误码，或者通过几个参数指针来返回）。
由于线程共享所有的数据区，而errno是一个全局的变量，这里产生了最糟糕的线程重入问题。
比如：do {bytes = recv(netfd, recvbuf, buflen, 0);} while (bytes != -1 && errno != EINTR);在上面的处理recv被信号打断的程序里。
如果这时连接被关闭，此时errno应该不等于EINTR，如果别的线程正好设置errno为EINTR，这时程序就可能进入死循环。
其它的错误码处理也可能进入不可预测的分支。
在线程需求刚开始时，很多方面技术和标准（TLS）还不够成熟，所以在为了解决这个重入问题引入了一个解决方案，把errno定义为一个宏：extern int *__errno_location (void);#define errno (*__errno_location())在上面的方案里，访问errno之前先调用__errno_location()函数，线程库提供这个函数，不同线程返回各自errno的地址，从而解决这个重入问题。
在编译时加-D_REENTRANT就是启用上面的宏，避免errno重入。
另外-D_REENTRANT还影响一些stdio的函数。
在较高版本的gcc里，有很多嵌入函数的优化，比如把printf(“Hello\n”);优化为puts(“hello\n”);之类的，有些优化在多线程下有问题。
所以gcc引入了–pthread 参数，这个参数出了-D_REENTRANT外，还校正一些针对多线程的优化。
多线程编程之：Linux线程编程
多线程编程之：Linux线程编程9.2 线程编程9.2.1 线程基本编程这里要讲的线程相关操作都是用户空间中的线程的操作。
在Linux中，普通pthread线程库是一套通用的线程库，是由POSIX提出的，因此具有很好的可移植性。
(1)函数解释。
创建线程事实上就是确定调用该线程函数的入口点，这里通常用法的函数是pthread_create()。
在线程创建以后，就开头运行相关的线程函数，在该函数运行完之后，该线程也就退出了，这也是线程退出一种办法。
另一种退出线程的办法是用法函数pthread_exit()，这是线程的主动行为。
这里要注重的是，在用法线程函数时，不能任意用法exit()退出函数举行出错处理，因为exit()的作用是使调用进程终止，往往一个进程包含多个线程，因此，在用法exit()之后，该进程中的全部线程都终止了。
因此，在线程中就可以用法pthread_exit()来代替进程中的exit()。
因为一个进程中的多个线程是分享数据段的，因此通常在线程退出之后，退出线程所占用的资源并不会随着线程的终止而得到释放。
正如进程之间可以用wait()系统调用来同步终止并释放资源一样，线程之间也有类似机制，那就是pthread_join()函数。
pthread_join()可以用于将当前线程挂起来等待线程的结束。
这个函数是一个线程堵塞的函数，调用它的函数将向来等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源就被收回。
前面已提到线程调用pthread_exit()函数主动终止自身线程。
但是在无数线程应用中，常常会碰到在别的线程中要终止另一个线程的执行的问题。
此时调用pthread_cancel()函数实现这种功能，但在被取消的线程的内部需要调用pthread_setcancel()函数和pthread_setcanceltype()函数设置自己的取消状态，例如被取消的线第1页共9页。
了解并学习Linux多线程编程
了解并学习Linux多线程编程
信号量和互斥锁的区别
互斥量用于线程的互斥，信号量用于线程的同步。
这是互斥量和信号量的根本区别，也就是互斥和同步之间的区别。
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。
但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。
在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。
少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源
互斥量值只能为0/1，信号量值可以为非负整数。
也就是说，一个互斥量只能用于一个资源的互斥访问，它不能实现多个资源的多线程互斥问题。
信号量可以实现多个同类资源的多线程互斥和同步。
当信号量为单值信号量是，也可以完成一个资源的互斥访问。
互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用，信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到。
读者优先
使用互斥锁来确保同一时间只能一个进程写文件，实现互斥。
使用信号量来实现访问资源的同步。
首先，写者的代码应该是这样一种形式，才能保证同一时刻只有一个写者修改数据。
考虑到写者对读者的影响是：当任何读者想读时，写者都必须被阻塞；并且，读者阻塞了写者并停止阻塞之前，后续的任何写者都会读者优先于执行。
这就如同有一个读者队列，当第一个读者入队时，写者完全被阻塞，直到最后一个读者离开队列。
据此，可以用readerCnt来统计读者的数量，而用信号量sem_read来互斥各线程对readerCnt的访问。
Linux多线程程序设计
创建缺省线程
如果未指定属性对象，则该对象为NULL，系统会创建具有以下属性
的缺省线程： 进程范围 非分离 缺省栈和缺省栈大小 零优先级
线程的ID号，创建
线程创建 int pthread_create (pthread_t * thread, __const pthread_attr_t * attr, void *(*__start_routine) (void *), void *arg); thread：指向线程标识符的指针，被创建的线程的标识符将由操作系统 写入到此结构中； attr：设置线程属性，如果为空指针（NULL），则表示采用缺省类型； start_routine：线程运行函数的起始地址； arg：指向运行函数参数的指针。
当创建线程成功时，函数返回0，若不为0 则说明创建线程失败，常见的 错误返回代码为EAGAIN 和EINVAL。前者表示系统限制创建新的线程， 例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程属性值非法。创 建线程成功后，新创建的线程运行start_routine函数，其输入参数由arg 确定，原来的线程则继续运行下一行代码。
线程属性
初始化属性
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *tattr);
线程属性
销毁属性 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *tattr); 设置分离状态
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *tattr,int
线程属性
设置调度策略
int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *tattr, int policy); POSIX 标准指定的Policy：
【IT专家】Linux多线程编程——线程的创建与退出
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2017/08/22 0 POSIX线程标准:该标准定义了创建和操纵线程的一整套API。在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用Pthreads作为操作系统的线程。Windows操作系统也有其移植版pthreads-win32。虽说现在c++11也把线程加入了标准库，但需要gcc4.8版本以上的编译器才能很好的支持，因此这里我们仍然学习posix线程标准，而且两者相差不大，学习多线程，主要是学习如何解决并发问题，如何解决多线程程序之间的同步和互斥问题。 线程概念： 线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。就绪状态是指线程具备运行的所有条件，逻辑上可以运行，在等待处理机；运行状态是指线程占有处理机正在运行；阻塞状态是指线程在等待一个事件（如某个信号量），逻辑上不可执行。每一个程序都至少有一个线程，若程序只有一个线程，那就是程序本身。线程是程序中一个单一的顺序控制流程。进程内一个相对独立的、可调度的执行单元，是系统独立调度和分派CPU的基本单位指运行中的程序的调度单位。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。——百度百科学习编程最好是动手写代码，下面我会列出一些关于线程操作的api，并通过例子演示关于多线程程序如何写以及如何解决多线程程序之间的同步和互斥问题。线程ID数据类型：pthread_t 线程属性类型：pthread_attr_t#include pthread.h int pthread_equal(pthread_t tid1,pthread_t tid2); //判断2个线程ID是否相同，若是返回非0数值，否则返回0pthread_t pthread_self(void) //获得线程
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Linux高级系统编程
教学设计
课程名称： Linux高级系统编程_______________
授课年级： ___________________________
授课学期： ___________________________
教师姓名： ___________________________
课程名称 第4章 多线程 计划学时 学时
内容分析 本章主要介绍线程基本编程、线程同步互斥机制、线程池
教学目标
与 教学要求 要求学生了解进程与线程的关系、线程的概念、掌握多线程编程的操作方法、掌握线程的通信、同步互斥机制、掌握基本线程池编程方法
教学重点 线程基本编程、线程同步互斥机制、线程池
教学难点 线程同步互斥机制、线程池
教学方式 课堂讲解及ppt演示
第一课时
（线程基本编程、线程同步互斥机制）
内容回顾
1. 回顾上节内容，引出本课时主题。
为了进一步减少处理器的空转时间，支持多处理器以及减少系统的开
销，进程演化过程中出现了另一个概念--线程。它是进程内独立的运行线路，
是内核调度的最小单元，也可以称为轻量级进程。多线程编程由于其高效性
和可操作性，在应用开发中使用非常广泛，本章将从线程的基本概念开始，
介绍围绕多线程的编程诸多知识点，从而帮助读者更加深入地了解系统编程
的核心内容。从而引出本节的内容。
2. 明确学习目标
（1）能够掌握线程的基本概念
（2）能够掌握线程的创建
（3）能够掌握线程终止与回收
（4）能够掌握线程编程
（5）能够掌握线程的分离
（6）能够掌握线程的取消
（7）能够掌握线程通信
（8）能够掌握互斥锁的使用
（9）能够掌握互斥锁的死锁
知识讲解
➢ 线程的基本概念
线程是应用程序并发执行多种任务的一种机制。在一个进程中可以创建
多个线程执行多个任务。每个进程都可以创建多个线程，创建的多个线程共
享进程的地址空间，即线程被创建在进程所使用的地址空间上。上一章介绍
了创建子进程的原理，创建子进程是通过复制父进程的地址空间得来的，父
子进程只关注自己的地址空间（映射不同的物理地址空间）。因此进程与进
程之间是独立的，每个进程都只需要操作属于自己的地址空间即可。而线程
则不一样，创建线程无须对地址空间进行复制，同一个进程创建的线程共享
进程的地址空间，因此创建线程比创建子进程要快很多。
➢ 线程的创建
函数pthread_create()函数用于在一个进程中创建一个线程。
#include
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t
*attr,
void *(*start_routine) (void *), void
*arg);
函数参数thread表示新创建的线程的标识符，或者称为线程的ID。参
数attr指向一个pthread_attr_t类型的结构体，用以指定新创建的线程的属性
（如线程栈的位置和大小、线程调度策略和优先级以及线程的状态），如果
attr被设置为NULL，则线程将采用默认的属性。参数start_routine则是该函
数的重点关注对象，通过函数原型可以看出，该参数为函数指针，因此该参
数只需传入函数名即可。需要注意的是，传入的函数名并不等同于一般的程
序中在主函数中调用子函数，它是线程的执行函数，通俗地说，线程执行的
任务将封装在此函数中。参数arg作为仅有的参数，用于向第三个参数
start_routine所指向的函数中传参。
pthread_create()函数的参数thread，其类型为pthread_t本质上是一个经
强制转化的无符号长整型的指针。一个线程可以通过pthread_self()来获取自
己的ID。
#include
pthread_t pthread_self(void);
习题 教材第4章习题
教
学
后
记