Linux操作系统实验报告
填写时间：2012年6月6日课程名称Linux操作系统实验教程
实验名称多线程编程
姓名邱爽学号2009221104210047 专业年级09计一
一、实验目的：（1）掌握Linux操作系统中进程和线程的概念
（2）掌握Linux操作系统中多线程编程的基本原理和方法
（3）学会利用创建多线程并实现简单的功能
二、实验设备：
装有Linux操作系统（Ubuntu或Deepin）的PC机一台
三、实验原理：
1、进程与线程的概念
进程与线程都是现代操作系统中程序运行的基本单位，多用户、多任务操作系统利用进程和线程来实现对应用任务的并发性。通俗地讲，进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次并发执行的运行活动，是一种有生命周期的动态实体，是支持程序执行的一种系统机制。在单线成结构进程中，进程作为构成系统的基本实体，及时内部独立的执行单元，又是独立竞争资源的基本单元。在多线程进程中，进程是系统进行资源分配和保护的基本大院，而线程是进程内独立的执行单元，即一条执行路径。线程包含独立的堆栈和处理器及寄存器状态，每个线程共享器所附属进程的所有资源。
线程与进程的关系主要包括以下几个方面：
（1）进程是资源分配和管理的基本单位，线程是程序执行的独立单位；
（2）进程在执行过程汇总拥有独立的主存空间，而线程不能够独立存在，必须运行在所属进程的地址空间内。
（3）线程属于进程的组成部分，进程课包含多个线程。当进程被撤销是，改进程所产生的线程都会被强制撤销。
2、多线程编程
线程在进程的基础上作进一步抽象，也就是说一个进程分为两个部分：线程集合和资源集合。线程是进程中的动态对象，它是一个独立的控制流，进程中的所有线程将共享进程拥有的资源。
在Linux中，可把线程分为内核线程、内核支持的用户线程和线程库支持的用户线程等3种类型。其中，内核编程负责实现一个指定系统功能；内核支持的用户线程实质上是特殊的进程，能被单独调度和运行；用户进程是通过线程库实现的，内核不参与调度，线程库提供同步和调度方法。
我们做实验所用到的正是多线程编程里的用户线程。每个用户线程都可以有自己的用户栈，即用来保存用户级寄存器上下文以及信号屏蔽等状态信息的主存区。线程库支持的用户线程不是真正的调度实体，内核对他们一无所知，而只是调度用户线程所属的线程，这些进程再通过线程库函数来调度进程内的用户线程。
3、线程控制
（1）线程创建
#include
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict
attr, void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg);
pthread_create()在调用线程的地址空间内创建一个新线程来运行。参数tidp为指向线程标识符的指针，可以使用attr参数来为新线程定义不同属性。使用默认属性时，将NULL赋给attr参数。第3个和第4个参数指定的函数star_rtn和传递给函数的参数arg。函数犯规0表示成功，非0表示失败。
（2）线程等待
#include
int pthread_join(pthread_t thread, void **status);
父进程可以使用pthread_join()等候子线程终止。其中参数thread指定将要等待的线程，线程通过pthread_create()返回的标识符来指定；参数status是一个指向另一个指针的指针，用于指定返回值；如果线程使用pthread_exit(void*)返回一个值，它会经由status参数返回到父进程，线程的资源会直到父进程调用pthread_join()后才释放。函数返回0表示成功，非0表示失败。
（3）线程同步
pthread线程库中有许多同步原语，包括信号量、互斥锁、条件变量和读/写锁。
线程互斥量同步原语，只要解决临界区的使用，线程可以通过相应函数来创建、销毁和操作信号互斥量。它们的函数原型定义如下：
#include
int pthread_mutex_init(pthread_mutex *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
这些函数中的mutex参数是指向pthread_mutex互斥量的指针，函数返回0表示成功，非0表示失败。
（4）线程终止
如果线程中任何一个线程调用函数exit()，那么整个进程就会终止。于此类似，如果信号的默认动作是终止进程，那么，把该信号发送到线程会终止进程。
线程的正常退出的方式包括以下几种：
●线程只是从启动例程中返回，返回值是线程中的退出码。
●线程可以被另一个线程终止。
●线程自己调用pthread_exit()。
四、实验内容：多线程实现单词统计工具
区分单词原则：凡是一个非字母或数字的字符跟在字母或数字的后面，那么这个字母这个字母或数字就是单词的结尾。
允许线程使用互斥锁来修改临界资源，确保线程间的同步与协作。如果两个线程需要安全地共享一个公共计数器，需要把公共计数器加锁。线程需要访问称为互斥锁的变量，它可以使线程间很好地合作，避免对于资源的访问冲突。
五、实验结果与结论：（核心代码和程序的运行效果）
核心代码：
#include
#include
#include
pthread_mutex_t counter_clock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; static int total_words = 0;
void *thread_result;
void *count_words(void *f)
{
char *filename=(char *)f;
FILE *fp;
int c,prevc='\0';
if((fp=fopen(filename,"r"))!=NULL){
while((c=getc(fp))!=EOF)
{
if(!isalnum(c) && isalnum(prevc)){
pthread_mutex_lock(&counter_clock);
total_words++;
pthread_mutex_unlock(&counter_clock);
}
prevc=c;
}
fclose(fp);
}
else
{
perror(filename);
}
return NULL;
}
int main(int ac,char *av[])
{
int res;
pthread_t a_thread1;
pthread_t a_thread2;
av[1]="test1";
av[2]="test2";
if(ac!=3){
printf("Usage:%s test1 test2\n",av[0]);
return 1;
}
res=pthread_create(&a_thread1,NULL,count_words,av[1]);
if(res!=0){
perror("Thread1 creation failed");
return -1;
}
res=pthread_create(&a_thread2,NULL,count_words,av[2]);
if(res!=0){
perror("Thread2 creation failed");
return -1;
}
res=pthread_join(a_thread1,&thread_result);
if(res!=0){
perror("Thread join failed");
return -1;
}
printf("Thread1 joined\n");
res=pthread_join(a_thread2,&thread_result);
if(res!=0){
perror("Thread join failed");
return -1;
}
printf("Thread2 joined\n");
printf("单词总数为：%d\n",total_words);
pthread_mutex_destroy(&counter_clock);
return 1;
}
实验结果：
在中端中输入命令，先编译thread.c文件得到thread，再传入参数test1，test2运行，统计两个test1和test2中的单词总数得到的结果如下：
六、实验中遇到的问题与实验心得：
综合所作的四个实验中，多线程编程可谓是最简单的那一个。只需要写出程序编译运行即可。但是在进行这个实验的过程中，也遇到了很多问题。如要分为以下三个。
1、代码错误
在进行实验之前，把书本上的原理和代码认真仔细阅读之后，便对书上的代码进行了添加和修改。首先是添加了创建线程的语句，其次是线程等待程序。最后是统计单词总数并输出的语句。通过编译找出的错误主要是total_words这个变量未定义。以及参数av[1],av[2]未给出具体定义，所以运行不出正确的结果。前者由于读书代码的时候不仔细，没有注意到的原因。后来定义了全局变量，便解决了这个问题。后者究其原因，是没有理解ac和av[]的含义。后来询问了室友，她解释是相当于参数的个数为3，用av[]表示。其中av[1]和av[2]应该分别代表最后传给两个线程调用的统计单词的参数，即文件路径或文件名。于是对这两个变量也做了相应的定义，使其与文件对应起来。
最后就是程序还有很多警告，提示是exit的用法有误。在源程序中，我用到的是exit(EIXT_SUCCESS)和exit(EXIT_FAILURE),可能是exit的次数出现得太多或者其中的参数没有定义。最后统一修改成return的语句，警告信息也没有了。
2、编译与运行的命令问题
结合大三上学期学操作系统时做实验用的编译方法，用gcc thread.c -o thread 编译源文件，但是系统却曝出了错误，一开始以为是代码的问题，因为没有生成编译后的文件。后来在询问同学之后得知，需要在编译时在后面加上-lpthread，这个的作用应该是引入可以做线程编程的包。加上再编译，就没有问题了。之后是运行。首先gdb，然后run，运行没有任何问题，但是输出的结果并不是我想象中应该得到的结果。如下：
这个原因很容易想到，那就是没有传递参数进去。于是，看了看书上的运行方法，换用./thread test1 test2来运行，于是得到了需要的结果。在test1中有2个单词，于是在创建线程1时输出的单词数为0，而创建线程2的时候，因为线程1已经创建成功了，因此这时统计的单词数为test1中的，为2。而test2中的单词数为5，于是最终total_words的数目为7。两个线程共享创建他们的进程的资源，所以，total_words这个内存单元也是共享的同一个（当然，也因为它本身就是个全局变量），所以，最后的值，直接就是两个的和，不用再求和。
3、运行权限问题
一开始，本程序所在文件夹位于某个硬盘中，结果在运行的时候出现了以下问题：
于是尝试用chmod的命令改变权限的方法，但是很遗憾，没能解决。
最后，我把整个文件夹都放到了桌面上，再次运行，终于可以出结果了。
虽然这样解决了问题，却无法知道原因。问了很多人也没有得到解答。
多线程编程虽然遇到了很多问题，但是还是逐一解决。这对我做后面的实验树立了信心，觉得Linux实验做起来没有想象中这么难。由于程序是C语言写的，因此读起来没有那么困难，且由于之前把多线程编程的理论知识看了一遍，所以对于程序的理解也有所帮助。想来，无论做什么实验，做之前熟知原理和操作步骤都是很重要的。