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[函数] [转贴]unix下的线程编程 [复制链接]

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发表于 2008-06-26 15:18 |显示全部楼层
看到有人在问线程编程,我转贴几篇我以前收集的入门教程,希望能够有所帮助。
=====================================================================
Linux下的多线程编程
作者: 姚继锋 (2001-08-11 09:05:00)
1 引言
  线程(thread)技术早在60年代就被提出,但真正应用多线程到操作系统中去,是在80年代中期,solaris是这方面的佼佼者。传统的Unix也支持线程的概念,但是在一个进程(process)中只允许有一个线程,这样多线程就意味着多进程。现在,多线程技术已经被许多操作系统所支持,包括Windows/NT,当然,也包括Linux。
  为什么有了进程的概念后,还要再引入线程呢?使用多线程到底有哪些好处?什么的系统应该选用多线程?我们首先必须回答这些问题。
  使用多线程的理由之一是和进程相比,它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。我们知道,在Linux系统下,启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间,建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段,这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程,它们彼此之间使用相同的地址空间,共享大部分数据,启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间,而且,线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计,总的说来,一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右,当然,在具体的系统上,这个数据可能会有较大的区别。
  使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说,它们具有独立的数据空间,要进行数据的传递只能通过通信的方式进行,这种方式不仅费时,而且很不方便。线程则不然,由于同一进程下的线程之间共享数据空间,所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用,这不仅快捷,而且方便。当然,数据的共享也带来其他一些问题,有的变量不能同时被两个线程所修改,有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击,这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。
  除了以上所说的优点外,不和进程比较,多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式,当然有以下的优点:
  1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义,当一个操作耗时很长时,整个系统都会等待这个操作,此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作,而使用多线程技术,将耗时长的操作(time consuming)置于一个新的线程,可以避免这种尴尬的情况。
  2) 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时,不同的线程运行于不同的CPU上。
  3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程,成为几个独立或半独立的运行部分,这样的程序会利于理解和修改。
  下面我们先来尝试编写一个简单的多线程程序。

2 简单的多线程编程
  Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口,称为pthread。编写Linux下的多线程程序,需要使用头文件pthread.h,连接时需要使用库libpthread.a。顺便说一下,Linux下pthread的实现是通过系统调用clone()来实现的。clone()是Linux所特有的系统调用,它的使用方式类似fork,关于clone()的详细情况,有兴趣的读者可以去查看有关文档说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序example1.c。

/* example.c*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void thread(void)
{
int i;
for(i=0;i<3;i++)
printf("This is a pthread.\n");
}

int main(void)
{
pthread_t id;
int i,ret;
ret=pthread_create(&id,NULL,(void *) thread,NULL);
if(ret!=0){
printf ("Create pthread error!\n");
exit (1);
}
for(i=0;i<3;i++)
printf("This is the main process.\n");
pthread_join(id,NULL);
return (0);
}

我们编译此程序:
gcc example1.c -lpthread -o example1
运行example1,我们得到如下结果:
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is the main process.
This is a pthread.
This is a pthread.
再次运行,我们可能得到如下结果:
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.

  前后两次结果不一样,这是两个线程争夺CPU资源的结果。上面的示例中,我们使用到了两个函数,  pthread_create和pthread_join,并声明了一个pthread_t型的变量。
  pthread_t在头文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定义:
  typedef unsigned long int pthread_t;
  它是一个线程的标识符。函数pthread_create用来创建一个线程,它的原型为:
  extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,
  void *(*__start_routine) (void *), void *__arg));
  第一个参数为指向线程标识符的指针,第二个参数用来设置线程属性,第三个参数是线程运行函数的起始地址,最后一个参数是运行函数的参数。这里,我们的函数thread不需要参数,所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针,这样将生成默认属性的线程。对线程属性的设定和修改我们将在下一节阐述。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,新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数,原来的线程则继续运行下一行代码。
  函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为:
  extern int pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return));
  第一个参数为被等待的线程标识符,第二个参数为一个用户定义的指针,它可以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数,调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止,当函数返回时,被等待线程的资源被收回。一个线程的结束有两种途径,一种是象我们上面的例子一样,函数结束了,调用它的线程也就结束了;另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。它的函数原型为:
  extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__));
  唯一的参数是函数的返回代码,只要pthread_join中的第二个参数thread_return不是NULL,这个值将被传递给thread_return。最后要说明的是,一个线程不能被多个线程等待,否则第一个接收到信号的线程成功返回,其余调用pthread_join的线程则返回错误代码ESRCH。
  在这一节里,我们编写了一个最简单的线程,并掌握了最常用的三个函数pthread_create,pthread_join和pthread_exit。下面,我们来了解线程的一些常用属性以及如何设置这些属性。

3 修改线程的属性
  在上一节的例子里,我们用pthread_create函数创建了一个线程,在这个线程中,我们使用了默认参数,即将该函数的第二个参数设为NULL。的确,对大多数程序来说,使用默认属性就够了,但我们还是有必要来了解一下线程的有关属性。
  属性结构为pthread_attr_t,它同样在头文件/usr/include/pthread.h中定义,喜欢追根问底的人可以自己去查看。属性值不能直接设置,须使用相关函数进行操作,初始化的函数为pthread_attr_init,这个函数必须在pthread_create函数之前调用。属性对象主要包括是否绑定、是否分离、堆栈地址、堆栈大小、优先级。默认的属性为非绑定、非分离、缺省1M的堆栈、与父进程同样级别的优先级。
  关于线程的绑定,牵涉到另外一个概念:轻进程(LWP:Light Weight Process)。轻进程可以理解为内核线程,它位于用户层和系统层之间。系统对线程资源的分配、对线程的控制是通过轻进程来实现的,一个轻进程可以控制一个或多个线程。默认状况下,启动多少轻进程、哪些轻进程来控制哪些线程是由系统来控制的,这种状况即称为非绑定的。绑定状况下,则顾名思义,即某个线程固定的"绑"在一个轻进程之上。被绑定的线程具有较高的响应速度,这是因为CPU时间片的调度是面向轻进程的,绑定的线程可以保证在需要的时候它总有一个轻进程可用。通过设置被绑定的轻进程的优先级和调度级可以使得绑定的线程满足诸如实时反应之类的要求。
  设置线程绑定状态的函数为pthread_attr_setscope,它有两个参数,第一个是指向属性结构的指针,第二个是绑定类型,它有两个取值:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM(绑定的)和PTHREAD_SCOPE_PROCESS(非绑定的)。下面的代码即创建了一个绑定的线程。
#include <pthread.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;

/*初始化属性值,均设为默认值*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);

pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);

  线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在上面的例子中,我们采用了线程的默认属性,即为非分离状态,这种情况下,原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时,创建的线程才算终止,才能释放自己占用的系统资源。而分离线程不是这样子的,它没有被其他的线程所等待,自己运行结束了,线程也就终止了,马上释放系统资源。程序员应该根据自己的需要,选择适当的分离状态。设置线程分离状态的函数为pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate)。第二个参数可选为PTHREAD_CREATE_DETACHED(分离线程)和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE(非分离线程)。这里要注意的一点是,如果设置一个线程为分离线程,而这个线程运行又非常快,它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了,它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用,这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施,最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timewait函数,让这个线程等待一会儿,留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间,是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数,它们是使整个进程睡眠,并不能解决线程同步的问题。
  另外一个可能常用的属性是线程的优先级,它存放在结构sched_param中。用函数pthread_attr_getschedparam和函数pthread_attr_setschedparam进行存放,一般说来,我们总是先取优先级,对取得的值修改后再存放回去。下面即是一段简单的例子。
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;

pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_getschedparam(&attr, &param);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);
pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);
  

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发表于 2008-06-26 15:19 |显示全部楼层
4 线程的数据处理
  和进程相比,线程的最大优点之一是数据的共享性,各个进程共享父进程处沿袭的数据段,可以方便的获得、修改数据。但这也给多线程编程带来了许多问题。我们必须当心有多个不同的进程访问相同的变量。许多函数是不可重入的,即同时不能运行一个函数的多个拷贝(除非使用不同的数据段)。在函数中声明的静态变量常常带来问题,函数的返回值也会有问题。因为如果返回的是函数内部静态声明的空间的地址,则在一个线程调用该函数得到地址后使用该地址指向的数据时,别的线程可能调用此函数并修改了这一段数据。在进程中共享的变量必须用关键字volatile来定义,这是为了防止编译器在优化时(如gcc中使用-OX参数)改变它们的使用方式。为了保护变量,我们必须使用信号量、互斥等方法来保证我们对变量的正确使用。下面,我们就逐步介绍处理线程数据时的有关知识。

4.1 线程数据
  在单线程的程序里,有两种基本的数据:全局变量和局部变量。但在多线程程序里,还有第三种数据类型:线程数据(TSD: Thread-Specific Data)。它和全局变量很象,在线程内部,各个函数可以象使用全局变量一样调用它,但它对线程外部的其它线程是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。例如我们常见的变量errno,它返回标准的出错信息。它显然不能是一个局部变量,几乎每个函数都应该可以调用它;但它又不能是一个全局变量,否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。要实现诸如此类的变量,我们就必须使用线程数据。我们为每个线程数据创建一个键,它和这个键相关联,在各个线程里,都使用这个键来指代线程数据,但在不同的线程里,这个键代表的数据是不同的,在同一个线程里,它代表同样的数据内容。
  和线程数据相关的函数主要有4个:创建一个键;为一个键指定线程数据;从一个键读取线程数据;删除键。
  创建键的函数原型为:
  extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,
  void (*__destr_function) (void *)));
  第一个参数为指向一个键值的指针,第二个参数指明了一个destructor函数,如果这个参数不为空,那么当每个线程结束时,系统将调用这个函数来释放绑定在这个键上的内存块。这个函数常和函数pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用,为了让这个键只被创建一次。函数pthread_once声明一个初始化函数,第一次调用pthread_once时它执行这个函数,以后的调用将被它忽略。

  在下面的例子中,我们创建一个键,并将它和某个数据相关联。我们要定义一个函数createWindow,这个函数定义一个图形窗口(数据类型为Fl_Window *,这是图形界面开发工具FLTK中的数据类型)。由于各个线程都会调用这个函数,所以我们使用线程数据。
/* 声明一个键*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函数 createWindow */
void createWindow ( void ) {
Fl_Window * win;
static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
/* 调用函数createMyKey,创建键*/
pthread_once ( & once, createMyKey) ;
/*win指向一个新建立的窗口*/
win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");
/* 对此窗口作一些可能的设置工作,如大小、位置、名称等*/
setWindow(win);
/* 将窗口指针值绑定在键myWinKey上*/
pthread_setpecific ( myWinKey, win);
}

/* 函数 createMyKey,创建一个键,并指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);
}

/* 函数 freeWinKey,释放空间*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
delete win;
}

  这样,在不同的线程中调用函数createMyWin,都可以得到在线程内部均可见的窗口变量,这个变量通过函数pthread_getspecific得到。在上面的例子中,我们已经使用了函数pthread_setspecific来将线程数据和一个键绑定在一起。这两个函数的原型如下:
  extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer));
  extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));
  这两个函数的参数意义和使用方法是显而易见的。要注意的是,用pthread_setspecific为一个键指定新的线程数据时,必须自己释放原有的线程数据以回收空间。这个过程函数pthread_key_delete用来删除一个键,这个键占用的内存将被释放,但同样要注意的是,它只释放键占用的内存,并不释放该键关联的线程数据所占用的内存资源,而且它也不会触发函数pthread_key_create中定义的destructor函数。线程数据的释放必须在释放键之前完成。

4.2 互斥锁
  互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码。必要性显而易见:假设各个线程向同一个文件顺序写入数据,最后得到的结果一定是灾难性的。
  我们先看下面一段代码。这是一个读/写程序,它们公用一个缓冲区,并且我们假定一个缓冲区只能保存一条信息。即缓冲区只有两个状态:有信息或没有信息。

void reader_function ( void );
void writer_function ( void );

char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main ( void ){
pthread_t reader;
/* 定义延迟时间*/
delay.tv_sec = 2;
delay.tv_nec = 0;
/* 用默认属性初始化一个互斥锁对象*/
pthread_mutex_init (&mutex,NULL);
pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);
writer_function( );
}

void writer_function (void){
while(1){
/* 锁定互斥锁*/
pthread_mutex_lock (&mutex);
if (buffer_has_item==0){
buffer=make_new_item( );
buffer_has_item=1;
}
/* 打开互斥锁*/
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}

void reader_function(void){
while(1){
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(buffer_has_item==1){
consume_item(buffer);
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}
  这里声明了互斥锁变量mutex,结构pthread_mutex_t为不公开的数据类型,其中包含一个系统分配的属性对象。函数pthread_mutex_init用来生成一个互斥锁。NULL参数表明使用默认属性。如果需要声明特定属性的互斥锁,须调用函数pthread_mutexattr_init。函数pthread_mutexattr_setpshared和函数pthread_mutexattr_settype用来设置互斥锁属性。前一个函数设置属性pshared,它有两个取值,PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用来不同进程中的线程同步,后者用于同步本进程的不同线程。在上面的例子中,我们使用的是默认属性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用来设置互斥锁类型,可选的类型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它们分别定义了不同的上所、解锁机制,一般情况下,选用最后一个默认属性。
  pthread_mutex_lock声明开始用互斥锁上锁,此后的代码直至调用pthread_mutex_unlock为止,均被上锁,即同一时间只能被一个线程调用执行。当一个线程执行到pthread_mutex_lock处时,如果该锁此时被另一个线程使用,那此线程被阻塞,即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁。在上面的例子中,我们使用了pthread_delay_np函数,让线程睡眠一段时间,就是为了防止一个线程始终占据此函数。
  上面的例子非常简单,就不再介绍了,需要提出的是在使用互斥锁的过程中很有可能会出现死锁:两个线程试图同时占用两个资源,并按不同的次序锁定相应的互斥锁,例如两个线程都需要锁定互斥锁1和互斥锁2,a线程先锁定互斥锁1,b线程先锁定互斥锁2,这时就出现了死锁。此时我们可以使用函数pthread_mutex_trylock,它是函数pthread_mutex_lock的非阻塞版本,当它发现死锁不可避免时,它会返回相应的信息,程序员可以针对死锁做出相应的处理。另外不同的互斥锁类型对死锁的处理不一样,但最主要的还是要程序员自己在程序设计注意这一点。

4.3 条件变量
  前一节中我们讲述了如何使用互斥锁来实现线程间数据的共享和通信,互斥锁一个明显的缺点是它只有两种状态:锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足,它常和互斥锁一起使用。使用时,条件变量被用来阻塞一个线程,当条件不满足时,线程往往解开相应的互斥锁并等待条件发生变化。一旦其它的某个线程改变了条件变量,它将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。这些线程将重新锁定互斥锁并重新测试条件是否满足。一般说来,条件变量被用来进行线承间的同步。
  条件变量的结构为pthread_cond_t,函数pthread_cond_init()被用来初始化一个条件变量。它的原型为:
  extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));
  其中cond是一个指向结构pthread_cond_t的指针,cond_attr是一个指向结构pthread_condattr_t的指针。结构pthread_condattr_t是条件变量的属性结构,和互斥锁一样我们可以用它来设置条件变量是进程内可用还是进程间可用,默认值是PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE,即此条件变量被同一进程内的各个线程使用。注意初始化条件变量只有未被使用时才能重新初始化或被释放。释放一个条件变量的函数为pthread_cond_ destroy(pthread_cond_t cond)。 
  函数pthread_cond_wait()使线程阻塞在一个条件变量上。它的函数原型为:
  extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,
  pthread_mutex_t *__mutex));
  线程解开mutex指向的锁并被条件变量cond阻塞。线程可以被函数pthread_cond_signal和函数pthread_cond_broadcast唤醒,但是要注意的是,条件变量只是起阻塞和唤醒线程的作用,具体的判断条件还需用户给出,例如一个变量是否为0等等,这一点我们从后面的例子中可以看到。线程被唤醒后,它将重新检查判断条件是否满足,如果还不满足,一般说来线程应该仍阻塞在这里,被等待被下一次唤醒。这个过程一般用while语句实现。
  另一个用来阻塞线程的函数是pthread_cond_timedwait(),它的原型为:
  extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,
  pthread_mutex_t *__mutex, __const struct timespec *__abstime));
  它比函数pthread_cond_wait()多了一个时间参数,经历abstime段时间后,即使条件变量不满足,阻塞也被解除。
  函数pthread_cond_signal()的原型为:
  extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));
  它用来释放被阻塞在条件变量cond上的一个线程。多个线程阻塞在此条件变量上时,哪一个线程被唤醒是由线程的调度策略所决定的。要注意的是,必须用保护条件变量的互斥锁来保护这个函数,否则条件满足信号又可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数之间被发出,从而造成无限制的等待。下面是使用函数pthread_cond_wait()和函数pthread_cond_signal()的一个简单的例子。

pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count () {
pthread_mutex_lock (&count_lock);
while(count==0)
pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);
count=count -1;
pthread_mutex_unlock (&count_lock);
}

increment_count(){
pthread_mutex_lock(&count_lock);
if(count==0)
pthread_cond_signal(&count_nonzero);
count=count+1;
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}
  count值为0时,decrement函数在pthread_cond_wait处被阻塞,并打开互斥锁count_lock。此时,当调用到函数increment_count时,pthread_cond_signal()函数改变条件变量,告知decrement_count()停止阻塞。读者可以试着让两个线程分别运行这两个函数,看看会出现什么样的结果。
  函数pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond)用来唤醒所有被阻塞在条件变量cond上的线程。这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁,所以必须小心使用这个函数。

4.4 信号量
  信号量本质上是一个非负的整数计数器,它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时,调用函数sem_post()增加信号量。只有当信号量值大于0时,才能使用公共资源,使用后,函数sem_wait()减少信号量。函数sem_trywait()和函数pthread_ mutex_trylock()起同样的作用,它是函数sem_wait()的非阻塞版本。下面我们逐个介绍和信号量有关的一些函数,它们都在头文件/usr/include/semaphore.h中定义。
  信号量的数据类型为结构sem_t,它本质上是一个长整型的数。函数sem_init()用来初始化一个信号量。它的原型为:
  extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));
  sem为指向信号量结构的一个指针;pshared不为0时此信号量在进程间共享,否则只能为当前进程的所有线程共享;value给出了信号量的初始值。
  函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时,调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞,选择机制同样是由线程的调度策略决定的。
  函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0,解除阻塞后将sem的值减一,表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait()的非阻塞版本,它直接将信号量sem的值减一。
  函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。
  下面我们来看一个使用信号量的例子。在这个例子中,一共有4个线程,其中两个线程负责从文件读取数据到公共的缓冲区,另两个线程从缓冲区读取数据作不同的处理(加和乘运算)。
/* File sem.c */
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define MAXSTACK 100
int stack[MAXSTACK][2];
int size=0;
sem_t sem;
/* 从文件1.dat读取数据,每读一次,信号量加一*/
void ReadData1(void){
FILE *fp=fopen("1.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*从文件2.dat读取数据*/
void ReadData2(void){
FILE *fp=fopen("2.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*阻塞等待缓冲区有数据,读取数据后,释放空间,继续等待*/
void HandleData1(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Plus:%d+%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]+stack[size][1]);
--size;
}
}

void HandleData2(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Multiply:%d*%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]*stack[size][1]);
--size;
}
}
int main(void){
pthread_t t1,t2,t3,t4;
sem_init(&sem,0,0);
pthread_create(&t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL);
pthread_create(&t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL);
pthread_create(&t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL);
pthread_create(&t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL);
/* 防止程序过早退出,让它在此无限期等待*/
pthread_join(t1,NULL);
}

  在Linux下,我们用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可执行文件sem。 我们事先编辑好数据文件1.dat和2.dat,假设它们的内容分别为1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ,我们运行sem,得到如下的结果:
Multiply:-1*-2=2
Plus:-1+-2=-3
Multiply:9*10=90
Plus:-9+-10=-19
Multiply:-7*-8=56
Plus:-5+-6=-11
Multiply:-3*-4=12
Plus:9+10=19
Plus:7+8=15
Plus:5+6=11

  从中我们可以看出各个线程间的竞争关系。而数值并未按我们原先的顺序显示出来这是由于size这个数值被各个线程任意修改的缘故。这也往往是多线程编程要注意的问题。

5 小结
  多线程编程是一个很有意思也很有用的技术,使用多线程技术的网络蚂蚁是目前最常用的下载工具之一,使用多线程技术的grep比单线程的grep要快上几倍,类似的例子还有很多。希望大家能用多线程技术写出高效实用的好程序来。

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发表于 2008-06-26 15:24 |显示全部楼层
Posix线程编程指南(1)   
http://www-900.ibm.com/developer ... i/part5/index.shtml

内容:

一、 线程创建
二、线程取消
关于作者




线程创建与取消
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第一篇将向您讲述线程的创建与取消。
一、线程创建

1.1 线程与进程
相对进程而言,线程是一个更加接近于执行体的概念,它可以与同进程中的其他线程共享数据,但拥有自己的栈空间,拥有独立的执行序列。在串行程序基础上引入线程和进程是为了提高程序的并发度,从而提高程序运行效率和响应时间。

线程和进程在使用上各有优缺点:线程执行开销小,但不利于资源的管理和保护;而进程正相反。同时,线程适合于在SMP机器上运行,而进程则可以跨机器迁移。

1.2 创建线程
POSIX通过pthread_create()函数创建线程,API定义如下:

int  pthread_create(pthread_t  *  thread, pthread_attr_t * attr,
void * (*start_routine)(void *), void * arg)



与fork()调用创建一个进程的方法不同,pthread_create()创建的线程并不具备与主线程(即调用pthread_create()的线程)同样的执行序列,而是使其运行start_routine(arg)函数。thread返回创建的线程ID,而attr是创建线程时设置的线程属性(见下)。pthread_create()的返回值表示线程创建是否成功。尽管arg是void *类型的变量,但它同样可以作为任意类型的参数传给start_routine()函数;同时,start_routine()可以返回一个void *类型的返回值,而这个返回值也可以是其他类型,并由pthread_join()获取。


1.3 线程创建属性
pthread_create()中的attr参数是一个结构指针,结构中的元素分别对应着新线程的运行属性,主要包括以下几项:

__detachstate,表示新线程是否与进程中其他线程脱离同步,如果置位则新线程不能用pthread_join()来同步,且在退出时自行释放所占用的资源。缺省为PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。这个属性也可以在线程创建并运行以后用pthread_detach()来设置,而一旦设置为PTHREAD_CREATE_DETACH状态(不论是创建时设置还是运行时设置)则不能再恢复到PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。

__schedpolicy,表示新线程的调度策略,主要包括SCHED_OTHER(正常、非实时)、SCHED_RR(实时、轮转法)和SCHED_FIFO(实时、先入先出)三种,缺省为SCHED_OTHER,后两种调度策略仅对超级用户有效。运行时可以用过pthread_setschedparam()来改变。

__schedparam,一个struct sched_param结构,目前仅有一个sched_priority整型变量表示线程的运行优先级。这个参数仅当调度策略为实时(即SCHED_RR或SCHED_FIFO)时才有效,并可以在运行时通过pthread_setschedparam()函数来改变,缺省为0。

__inheritsched,有两种值可供选择:PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED,前者表示新线程使用显式指定调度策略和调度参数(即attr中的值),而后者表示继承调用者线程的值。缺省为PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope,表示线程间竞争CPU的范围,也就是说线程优先级的有效范围。POSIX的标准中定义了两个值:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS,前者表示与系统中所有线程一起竞争CPU时间,后者表示仅与同进程中的线程竞争CPU。目前LinuxThreads仅实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t结构中还有一些值,但不使用pthread_create()来设置。

为了设置这些属性,POSIX定义了一系列属性设置函数,包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和与各个属性相关的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函数。

1.4 线程创建的Linux实现
我们知道,Linux的线程实现是在核外进行的,核内提供的是创建进程的接口do_fork()。内核提供了两个系统调用__clone()和fork(),最终都用不同的参数调用do_fork()核内API。当然,要想实现线程,没有核心对多进程(其实是轻量级进程)共享数据段的支持是不行的,因此,do_fork()提供了很多参数,包括CLONE_VM(共享内存空间)、CLONE_FS(共享文件系统信息)、CLONE_FILES(共享文件描述符表)、CLONE_SIGHAND(共享信号句柄表)和CLONE_PID(共享进程ID,仅对核内进程,即0号进程有效)。当使用fork系统调用时,内核调用do_fork()不使用任何共享属性,进程拥有独立的运行环境,而使用pthread_create()来创建线程时,则最终设置了所有这些属性来调用__clone(),而这些参数又全部传给核内的do_fork(),从而创建的"进程"拥有共享的运行环境,只有栈是独立的,由__clone()传入。

Linux线程在核内是以轻量级进程的形式存在的,拥有独立的进程表项,而所有的创建、同步、删除等操作都在核外pthread库中进行。pthread库使用一个管理线程(__pthread_manager(),每个进程独立且唯一)来管理线程的创建和终止,为线程分配线程ID,发送线程相关的信号(比如Cancel),而主线程(pthread_create())的调用者则通过管道将请求信息传给管理线程。

二、线程取消

2.1 线程取消的定义
一般情况下,线程在其主体函数退出的时候会自动终止,但同时也可以因为接收到另一个线程发来的终止(取消)请求而强制终止。

2.2 线程取消的语义
线程取消的方法是向目标线程发Cancel信号,但如何处理Cancel信号则由目标线程自己决定,或者忽略、或者立即终止、或者继续运行至Cancelation-point(取消点),由不同的Cancelation状态决定。

线程接收到CANCEL信号的缺省处理(即pthread_create()创建线程的缺省状态)是继续运行至取消点,也就是说设置一个CANCELED状态,线程继续运行,只有运行至Cancelation-point的时候才会退出。

2.3 取消点
根据POSIX标准,pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函数以及read()、write()等会引起阻塞的系统调用都是Cancelation-point,而其他pthread函数都不会引起Cancelation动作。但是pthread_cancel的手册页声称,由于LinuxThread库与C库结合得不好,因而目前C库函数都不是Cancelation-point;但CANCEL信号会使线程从阻塞的系统调用中退出,并置EINTR错误码,因此可以在需要作为Cancelation-point的系统调用前后调用pthread_testcancel(),从而达到POSIX标准所要求的目标,即如下代码段:

pthread_testcancel();
    retcode = read(fd, buffer, length);
    pthread_testcancel();





2.4 程序设计方面的考虑
如果线程处于无限循环中,且循环体内没有执行至取消点的必然路径,则线程无法由外部其他线程的取消请求而终止。因此在这样的循环体的必经路径上应该加入pthread_testcancel()调用。

2.5 与线程取消相关的pthread函数
int pthread_cancel(pthread_t thread)
发送终止信号给thread线程,如果成功则返回0,否则为非0值。发送成功并不意味着thread会终止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
设置本线程对Cancel信号的反应,state有两种值:PTHREAD_CANCEL_ENABLE(缺省)和PTHREAD_CANCEL_DISABLE,分别表示收到信号后设为CANCLED状态和忽略CANCEL信号继续运行;old_state如果不为NULL则存入原来的Cancel状态以便恢复。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
设置本线程取消动作的执行时机,type由两种取值:PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS,仅当Cancel状态为Enable时有效,分别表示收到信号后继续运行至下一个取消点再退出和立即执行取消动作(退出);oldtype如果不为NULL则存入运来的取消动作类型值。

void pthread_testcancel(void)
检查本线程是否处于Canceld状态,如果是,则进行取消动作,否则直接返回。

关于作者
杨沙洲,男,现攻读国防科大计算机学院计算机软件方向博士学位。您可以通过电子邮件pubb@163.net 跟他联系。
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Posix线程编程指南(2)   
   
内容:

一. 概念及作用
二. 创建和注销
三. 访问
四. 使用范例
关于作者


相关内容:

(1) 线程创建与取消  




线程私有数据
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第二篇将向您讲述线程的私有数据。
一.概念及作用
在单线程程序中,我们经常要用到"全局变量"以实现多个函数间共享数据。在多线程环境下,由于数据空间是共享的,因此全局变量也为所有线程所共有。但有时应用程序设计中有必要提供线程私有的全局变量,仅在某个线程中有效,但却可以跨多个函数访问,比如程序可能需要每个线程维护一个链表,而使用相同的函数操作,最简单的办法就是使用同名而不同变量地址的线程相关数据结构。这样的数据结构可以由Posix线程库维护,称为线程私有数据(Thread-specific Data,或TSD)。

二.创建和注销
Posix定义了两个API分别用来创建和注销TSD:

int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destr_function) (void *))

该函数从TSD池中分配一项,将其值赋给key供以后访问使用。如果destr_function不为空,在线程退出(pthread_exit())时将以key所关联的数据为参数调用destr_function(),以释放分配的缓冲区。

不论哪个线程调用pthread_key_create(),所创建的key都是所有线程可访问的,但各个线程可根据自己的需要往key中填入不同的值,这就相当于提供了一个同名而不同值的全局变量。在LinuxThreads的实现中,TSD池用一个结构数组表示:

static struct pthread_key_struct pthread_keys[PTHREAD_KEYS_MAX] = { { 0, NULL } };

创建一个TSD就相当于将结构数组中的某一项设置为"in_use",并将其索引返回给*key,然后设置destructor函数为destr_function。

注销一个TSD采用如下API:

int pthread_key_delete(pthread_key_t key)

这个函数并不检查当前是否有线程正使用该TSD,也不会调用清理函数(destr_function),而只是将TSD释放以供下一次调用pthread_key_create()使用。在LinuxThreads中,它还会将与之相关的线程数据项设为NULL(见"访问")。

三.访问
TSD的读写都通过专门的Posix Thread函数进行,其API定义如下:

int  pthread_setspecific(pthread_key_t  key,  const   void  *pointer)
void * pthread_getspecific(pthread_key_t key)






写入(pthread_setspecific())时,将pointer的值(不是所指的内容)与key相关联,而相应的读出函数则将与key相关联的数据读出来。数据类型都设为void *,因此可以指向任何类型的数据。

在LinuxThreads中,使用了一个位于线程描述结构(_pthread_descr_struct)中的二维void *指针数组来存放与key关联的数据,数组大小由以下几个宏来说明:

#define PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE       32
#define PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE   \
((PTHREAD_KEYS_MAX + PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE - 1)
/ PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE)
    其中在/usr/include/bits/local_lim.h中定义了PTHREAD_KEYS_MAX为1024,因此一维数组大小为32。而具体存放的位置由key值经过以下计算得到:
idx1st = key / PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE
idx2nd = key % PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE





也就是说,数据存放与一个32×32的稀疏矩阵中。同样,访问的时候也由key值经过类似计算得到数据所在位置索引,再取出其中内容返回。

四.使用范例
以下这个例子没有什么实际意义,只是说明如何使用,以及能够使用这一机制达到存储线程私有数据的目的。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

pthread_key_t   key;

void echomsg(int t)
{
        printf("destructor excuted in thread %d,param=%d\n",pthread_self(),t);
}

void * child1(void *arg)
{
        int tid=pthread_self();
        printf("thread %d enter\n",tid);
        pthread_setspecific(key,(void *)tid);
        sleep(2);
        printf("thread %d returns %d\n",tid,pthread_getspecific(key));
        sleep(5);
}

void * child2(void *arg)
{
        int tid=pthread_self();
        printf("thread %d enter\n",tid);
        pthread_setspecific(key,(void *)tid);
        sleep(1);
        printf("thread %d returns %d\n",tid,pthread_getspecific(key));
        sleep(5);
}

int main(void)
{
        int tid1,tid2;

        printf("hello\n");
        pthread_key_create(&key,echomsg);
        pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
        pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
        sleep(10);
        pthread_key_delete(key);
        printf("main thread exit\n");
        return 0;
}





给例程创建两个线程分别设置同一个线程私有数据为自己的线程ID,为了检验其私有性,程序错开了两个线程私有数据的写入和读出的时间,从程序运行结果可以看出,两个线程对TSD的修改互不干扰。同时,当线程退出时,清理函数会自动执行,参数为tid。

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发表于 2008-06-26 15:24 |显示全部楼层
Posix线程编程指南(3)   


   
内容:

一. 互斥锁
二. 条件变量
三. 信号灯
四. 异步信号
五. 其他同步方式
关于作者


相关内容:

(1) 线程创建与取消  
(2) 线程私有数据  




线程同步
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第三篇,将向您讲述线程同步。
一.互斥锁
尽管在Posix Thread中同样可以使用IPC的信号量机制来实现互斥锁mutex功能,但显然semphore的功能过于强大了,在Posix Thread中定义了另外一套专门用于线程同步的mutex函数。

1. 创建和销毁
有两种方法创建互斥锁,静态方式和动态方式。POSIX定义了一个宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来静态初始化互斥锁,方法如下:
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
在LinuxThreads实现中,pthread_mutex_t是一个结构,而PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER则是一个结构常量。

动态方式是采用pthread_mutex_init()函数来初始化互斥锁,API定义如下:
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr)
其中mutexattr用于指定互斥锁属性(见下),如果为NULL则使用缺省属性。

pthread_mutex_destroy()用于注销一个互斥锁,API定义如下:
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
销毁一个互斥锁即意味着释放它所占用的资源,且要求锁当前处于开放状态。由于在Linux中,互斥锁并不占用任何资源,因此LinuxThreads中的pthread_mutex_destroy()除了检查锁状态以外(锁定状态则返回EBUSY)没有其他动作。

2. 互斥锁属性
互斥锁的属性在创建锁的时候指定,在LinuxThreads实现中仅有一个锁类型属性,不同的锁类型在试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不同。当前(glibc2.2.3,linuxthreads0.9)有四个值可供选择:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP,这是缺省值,也就是普通锁。当一个线程加锁以后,其余请求锁的线程将形成一个等待队列,并在解锁后按优先级获得锁。这种锁策略保证了资源分配的公平性。
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP,嵌套锁,允许同一个线程对同一个锁成功获得多次,并通过多次unlock解锁。如果是不同线程请求,则在加锁线程解锁时重新竞争。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP,检错锁,如果同一个线程请求同一个锁,则返回EDEADLK,否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同。这样就保证当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP,适应锁,动作最简单的锁类型,仅等待解锁后重新竞争。



3. 锁操作
锁操作主要包括加锁pthread_mutex_lock()、解锁pthread_mutex_unlock()和测试加锁pthread_mutex_trylock()三个,不论哪种类型的锁,都不可能被两个不同的线程同时得到,而必须等待解锁。对于普通锁和适应锁类型,解锁者可以是同进程内任何线程;而检错锁则必须由加锁者解锁才有效,否则返回EPERM;对于嵌套锁,文档和实现要求必须由加锁者解锁,但实验结果表明并没有这种限制,这个不同目前还没有得到解释。在同一进程中的线程,如果加锁后没有解锁,则任何其他线程都无法再获得锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)

pthread_mutex_trylock()语义与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。

4. 其他
POSIX线程锁机制的Linux实现都不是取消点,因此,延迟取消类型的线程不会因收到取消信号而离开加锁等待。值得注意的是,如果线程在加锁后解锁前被取消,锁将永远保持锁定状态,因此如果在关键区段内有取消点存在,或者设置了异步取消类型,则必须在退出回调函数中解锁。

这个锁机制同时也不是异步信号安全的,也就是说,不应该在信号处理过程中使用互斥锁,否则容易造成死锁。

二.条件变量
条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制,主要包括两个动作:一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起;另一个线程使"条件成立"(给出条件成立信号)。为了防止竞争,条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。

1. 创建和注销
条件变量和互斥锁一样,都有静态动态两种创建方式,静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量,如下:
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

动态方式调用pthread_cond_init()函数,API定义如下:
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性,但在LinuxThreads中没有实现,因此cond_attr值通常为NULL,且被忽略。

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy(),只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量,否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源,所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下:
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

2. 等待和激发
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime)

等待条件有两种方式:无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait(),其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足,则返回ETIMEOUT,结束等待,其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现,0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

无论哪种等待方式,都必须和一个互斥锁配合,以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()(或pthread_cond_timedwait(),下同)的竞争条件(Race Condition)。mutex互斥锁必须是普通锁(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者适应锁(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP),且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁(pthread_mutex_lock()),而在更新条件等待队列以前,mutex保持锁定状态,并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前,mutex将被重新加锁,以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。

激发条件有两种形式,pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程,存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个;而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。

3. 其他
pthread_cond_wait()和pthread_cond_timedwait()都被实现为取消点,因此,在该处等待的线程将立即重新运行,在重新锁定mutex后离开pthread_cond_wait(),然后执行取消动作。也就是说如果pthread_cond_wait()被取消,mutex是保持锁定状态的,因而需要定义退出回调函数来为其解锁。

以下示例集中演示了互斥锁和条件变量的结合使用,以及取消对于条件等待动作的影响。在例子中,有两个线程被启动,并等待同一个条件变量,如果不使用退出回调函数(见范例中的注释部分),则tid2将在pthread_mutex_lock()处永久等待。如果使用回调函数,则tid2的条件等待及主线程的条件激发都能正常工作。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t  cond;

void * child1(void *arg)
{
        pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock,&mutex);  /* comment 1 */
        while(1){
                printf("thread 1 get running \n");
        printf("thread 1 pthread_mutex_lock returns %d\n",
pthread_mutex_lock(&mutex));
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
                    printf("thread 1 condition applied\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
                    sleep(5);
    }
        pthread_cleanup_pop(0);     /* comment 2 */
}

void *child2(void *arg)
{
        while(1){
                sleep(3);               /* comment 3 */
                printf("thread 2 get running.\n");
        printf("thread 2 pthread_mutex_lock returns %d\n",
pthread_mutex_lock(&mutex));
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        printf("thread 2 condition applied\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
        }
}

int main(void)
{
        int tid1,tid2;

        printf("hello, condition variable test\n");
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        pthread_cond_init(&cond,NULL);
        pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
        pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
        do{
        sleep(2);                   /* comment 4 */
                pthread_cancel(tid1);       /* comment 5 */
                sleep(2);                   /* comment 6 */
        pthread_cond_signal(&cond);
    }while(1);  
        sleep(100);
        pthread_exit(0);
}





如果不做注释5的pthread_cancel()动作,即使没有那些sleep()延时操作,child1和child2都能正常工作。注释3和注释4的延迟使得child1有时间完成取消动作,从而使child2能在child1退出之后进入请求锁操作。如果没有注释1和注释2的回调函数定义,系统将挂起在child2请求锁的地方;而如果同时也不做注释3和注释4的延时,child2能在child1完成取消动作以前得到控制,从而顺利执行申请锁的操作,但却可能挂起在pthread_cond_wait()中,因为其中也有申请mutex的操作。child1函数给出的是标准的条件变量的使用方式:回调函数保护,等待条件前锁定,pthread_cond_wait()返回后解锁。

条件变量机制不是异步信号安全的,也就是说,在信号处理函数中调用pthread_cond_signal()或者pthread_cond_broadcast()很可能引起死锁。

三.信号灯
信号灯与互斥锁和条件变量的主要不同在于"灯"的概念,灯亮则意味着资源可用,灯灭则意味着不可用。如果说后两中同步方式侧重于"等待"操作,即资源不可用的话,信号灯机制则侧重于点灯,即告知资源可用;没有等待线程的解锁或激发条件都是没有意义的,而没有等待灯亮的线程的点灯操作则有效,且能保持灯亮状态。当然,这样的操作原语也意味着更多的开销。

信号灯的应用除了灯亮/灯灭这种二元灯以外,也可以采用大于1的灯数,以表示资源数大于1,这时可以称之为多元灯。

1. 创建和注销
POSIX信号灯标准定义了有名信号灯和无名信号灯两种,但LinuxThreads的实现仅有无名灯,同时有名灯除了总是可用于多进程之间以外,在使用上与无名灯并没有很大的区别,因此下面仅就无名灯进行讨论。

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
这是创建信号灯的API,其中value为信号灯的初值,pshared表示是否为多进程共享而不仅仅是用于一个进程。LinuxThreads没有实现多进程共享信号灯,因此所有非0值的pshared输入都将使sem_init()返回-1,且置errno为ENOSYS。初始化好的信号灯由sem变量表征,用于以下点灯、灭灯操作。

int sem_destroy(sem_t * sem)
被注销的信号灯sem要求已没有线程在等待该信号灯,否则返回-1,且置errno为EBUSY。除此之外,LinuxThreads的信号灯注销函数不做其他动作。

2. 点灯和灭灯
int sem_post(sem_t * sem)
点灯操作将信号灯值原子地加1,表示增加一个可访问的资源。

int sem_wait(sem_t * sem)
int sem_trywait(sem_t * sem)
sem_wait()为等待灯亮操作,等待灯亮(信号灯值大于0),然后将信号灯原子地减1,并返回。sem_trywait()为sem_wait()的非阻塞版,如果信号灯计数大于0,则原子地减1并返回0,否则立即返回-1,errno置为EAGAIN。

3. 获取灯值
int sem_getvalue(sem_t * sem, int * sval)
读取sem中的灯计数,存于*sval中,并返回0。

4. 其他
sem_wait()被实现为取消点,而且在支持原子"比较且交换"指令的体系结构上,sem_post()是唯一能用于异步信号处理函数的POSIX异步信号安全的API。

四.异步信号
由于LinuxThreads是在核外使用核内轻量级进程实现的线程,所以基于内核的异步信号操作对于线程也是有效的。但同时,由于异步信号总是实际发往某个进程,所以无法实现POSIX标准所要求的"信号到达某个进程,然后再由该进程将信号分发到所有没有阻塞该信号的线程中"原语,而是只能影响到其中一个线程。

POSIX异步信号同时也是一个标准C库提供的功能,主要包括信号集管理(sigemptyset()、sigfillset()、sigaddset()、sigdelset()、sigismember()等)、信号处理函数安装(sigaction())、信号阻塞控制(sigprocmask())、被阻塞信号查询(sigpending())、信号等待(sigsuspend())等,它们与发送信号的kill()等函数配合就能实现进程间异步信号功能。LinuxThreads围绕线程封装了sigaction()和raise(),本节集中讨论LinuxThreads中扩展的异步信号函数,包括pthread_sigmask()、pthread_kill()和sigwait()三个函数。毫无疑问,所有POSIX异步信号函数对于线程都是可用的。

int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *newmask, sigset_t *oldmask)
设置线程的信号屏蔽码,语义与sigprocmask()相同,但对不允许屏蔽的Cancel信号和不允许响应的Restart信号进行了保护。被屏蔽的信号保存在信号队列中,可由sigpending()函数取出。

int pthread_kill(pthread_t thread, int signo)
向thread号线程发送signo信号。实现中在通过thread线程号定位到对应进程号以后使用kill()系统调用完成发送。

int sigwait(const sigset_t *set, int *sig)
挂起线程,等待set中指定的信号之一到达,并将到达的信号存入*sig中。POSIX标准建议在调用sigwait()等待信号以前,进程中所有线程都应屏蔽该信号,以保证仅有sigwait()的调用者获得该信号,因此,对于需要等待同步的异步信号,总是应该在创建任何线程以前调用pthread_sigmask()屏蔽该信号的处理。而且,调用sigwait()期间,原来附接在该信号上的信号处理函数不会被调用。

如果在等待期间接收到Cancel信号,则立即退出等待,也就是说sigwait()被实现为取消点。

五.其他同步方式
除了上述讨论的同步方式以外,其他很多进程间通信手段对于LinuxThreads也是可用的,比如基于文件系统的IPC(管道、Unix域Socket等)、消息队列(Sys.V或者Posix的)、System V的信号灯等。只有一点需要注意,LinuxThreads在核内是作为共享存储区、共享文件系统属性、共享信号处理、共享文件描述符的独立进程看待的。



Posix线程编程指南(4)   


   
内容:

1. 线程终止方式
2. 线程终止时的清理
3. 线程终止的同步及其返回值
4. 关于pthread_exit()和return
参考资料
关于作者


相关内容:

(1) 线程创建与取消  
(2) 线程私有数据  
(3) 线程同步  




线程终止
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 11 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第四篇将向您讲述线程中止。
1.线程终止方式
一般来说,Posix的线程终止有两种情况:正常终止和非正常终止。线程主动调用pthread_exit()或者从线程函数中return都将使线程正常退出,这是可预见的退出方式;非正常终止是线程在其他线程的干预下,或者由于自身运行出错(比如访问非法地址)而退出,这种退出方式是不可预见的。

2.线程终止时的清理
不论是可预见的线程终止还是异常终止,都会存在资源释放的问题,在不考虑因运行出错而退出的前提下,如何保证线程终止时能顺利的释放掉自己所占用的资源,特别是锁资源,就是一个必须考虑解决的问题。

最经常出现的情形是资源独占锁的使用:线程为了访问临界资源而为其加上锁,但在访问过程中被外界取消,如果线程处于响应取消状态,且采用异步方式响应,或者在打开独占锁以前的运行路径上存在取消点,则该临界资源将永远处于锁定状态得不到释放。外界取消操作是不可预见的,因此的确需要一个机制来简化用于资源释放的编程。

在POSIX线程API中提供了一个pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()函数对用于自动释放资源--从pthread_cleanup_push()的调用点到pthread_cleanup_pop()之间的程序段中的终止动作(包括调用pthread_exit()和取消点终止)都将执行pthread_cleanup_push()所指定的清理函数。API定义如下:

void pthread_cleanup_push(void (*routine) (void  *),  void *arg)
void pthread_cleanup_pop(int execute)






pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()采用先入后出的栈结构管理,void routine(void *arg)函数在调用pthread_cleanup_push()时压入清理函数栈,多次对pthread_cleanup_push()的调用将在清理函数栈中形成一个函数链,在执行该函数链时按照压栈的相反顺序弹出。execute参数表示执行到pthread_cleanup_pop()时是否在弹出清理函数的同时执行该函数,为0表示不执行,非0为执行;这个参数并不影响异常终止时清理函数的执行。

pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()是以宏方式实现的,这是pthread.h中的宏定义:

#define pthread_cleanup_push(routine,arg)                                     \
  { struct _pthread_cleanup_buffer _buffer;                                   \
    _pthread_cleanup_push (&_buffer, (routine), (arg));
#define pthread_cleanup_pop(execute)                                          \
    _pthread_cleanup_pop (&_buffer, (execute)); }






可见,pthread_cleanup_push()带有一个"{",而pthread_cleanup_pop()带有一个"}",因此这两个函数必须成对出现,且必须位于程序的同一级别的代码段中才能通过编译。在下面的例子里,当线程在"do some work"中终止时,将主动调用pthread_mutex_unlock(mut),以完成解锁动作。

pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, (void *) &mut);
pthread_mutex_lock(&mut);
/* do some work */
pthread_mutex_unlock(&mut);
pthread_cleanup_pop(0);






必须要注意的是,如果线程处于PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS状态,上述代码段就有可能出错,因为CANCEL事件有可能在pthread_cleanup_push()和pthread_mutex_lock()之间发生,或者在pthread_mutex_unlock()和pthread_cleanup_pop()之间发生,从而导致清理函数unlock一个并没有加锁的mutex变量,造成错误。因此,在使用清理函数的时候,都应该暂时设置成PTHREAD_CANCEL_DEFERRED模式。为此,POSIX的Linux实现中还提供了一对不保证可移植的pthread_cleanup_push_defer_np()/pthread_cleanup_pop_defer_np()扩展函数,功能与以下代码段相当:

{ int oldtype;
pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, &oldtype);
pthread_cleanup_push(routine, arg);
...
pthread_cleanup_pop(execute);
pthread_setcanceltype(oldtype, NULL);
}





3.线程终止的同步及其返回值
一般情况下,进程中各个线程的运行都是相互独立的,线程的终止并不会通知,也不会影响其他线程,终止的线程所占用的资源也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。

void pthread_exit(void *retval)
int pthread_join(pthread_t th, void **thread_return)
int pthread_detach(pthread_t th)






pthread_join()的调用者将挂起并等待th线程终止,retval是pthread_exit()调用者线程(线程ID为th)的返回值,如果thread_return不为NULL,则*thread_return=retval。需要注意的是一个线程仅允许唯一的一个线程使用pthread_join()等待它的终止,并且被等待的线程应该处于可join状态,即非DETACHED状态。

如果进程中的某个线程执行了pthread_detach(th),则th线程将处于DETACHED状态,这使得th线程在结束运行时自行释放所占用的内存资源,同时也无法由pthread_join()同步,pthread_detach()执行之后,对th请求pthread_join()将返回错误。

一个可join的线程所占用的内存仅当有线程对其执行了pthread_join()后才会释放,因此为了避免内存泄漏,所有线程的终止,要么已设为DETACHED,要么就需要使用pthread_join()来回收。

4.关于pthread_exit()和return
理论上说,pthread_exit()和线程宿体函数退出的功能是相同的,函数结束时会在内部自动调用pthread_exit()来清理线程相关的资源。但实际上二者由于编译器的处理有很大的不同。

在进程主函数(main())中调用pthread_exit(),只会使主函数所在的线程(可以说是进程的主线程)退出;而如果是return,编译器将使其调用进程退出的代码(如_exit()),从而导致进程及其所有线程结束运行。

其次,在线程宿主函数中主动调用return,如果return语句包含在pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()对中,则不会引起清理函数的执行,反而会导致segment fault。

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发表于 2008-06-26 15:25 |显示全部楼层
Posix线程编程指南(5)   


   
内容:

1.获得本线程ID
2.判断两个线程是否为同一线程
3.仅执行一次的操作
4.pthread_kill_other_threads_np()
关于作者


相关内容:

(1) 线程创建与取消  
(2) 线程私有数据  
(3) 线程同步  
(4) 线程终止  




杂项
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 11 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第五篇将向您讲述pthread_self()、pthread_equal()和pthread_once()等杂项函数。
在Posix线程规范中还有几个辅助函数难以归类,暂且称其为杂项函数,主要包括pthread_self()、pthread_equal()和pthread_once()三个,另外还有一个LinuxThreads非可移植性扩展函数pthread_kill_other_threads_np()。本文就介绍这几个函数的定义和使用。

1.获得本线程ID


pthread_t pthread_self(void)

本函数返回本线程的标识符。

在LinuxThreads中,每个线程都用一个pthread_descr结构来描述,其中包含了线程状态、线程ID等所有需要的数据结构,此函数的实现就是在线程栈帧中找到本线程的pthread_descr结构,然后返回其中的p_tid项。

pthread_t类型在LinuxThreads中定义为无符号长整型。

2.判断两个线程是否为同一线程
int pthread_equal(pthread_t thread1, pthread_t thread2)

判断两个线程描述符是否指向同一线程。在LinuxThreads中,线程ID相同的线程必然是同一个线程,因此,这个函数的实现仅仅判断thread1和thread2是否相等。

3.仅执行一次的操作
int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine) (void))

本函数使用初值为PTHREAD_ONCE_INIT的once_control变量保证init_routine()函数在本进程执行序列中仅执行一次。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

pthread_once_t  once=PTHREAD_ONCE_INIT;

void    once_run(void)
{
        printf("once_run in thread %d\n",pthread_self());
}

void * child1(void *arg)
{
        int tid=pthread_self();
        printf("thread %d enter\n",tid);
        pthread_once(&once,once_run);
        printf("thread %d returns\n",tid);
}

void * child2(void *arg)
{
        int tid=pthread_self();
        printf("thread %d enter\n",tid);
        pthread_once(&once,once_run);
        printf("thread %d returns\n",tid);
}

int main(void)
{
        int tid1,tid2;

        printf("hello\n");
        pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
        pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
        sleep(10);
        printf("main thread exit\n");
        return 0;
}





once_run()函数仅执行一次,且究竟在哪个线程中执行是不定的,尽管pthread_once(&once,once_run)出现在两个线程中。

LinuxThreads使用互斥锁和条件变量保证由pthread_once()指定的函数执行且仅执行一次,而once_control则表征是否执行过。如果once_control的初值不是PTHREAD_ONCE_INIT(LinuxThreads定义为0),pthread_once()的行为就会不正常。在LinuxThreads中,实际"一次性函数"的执行状态有三种:NEVER(0)、IN_PROGRESS(1)、DONE(2),如果once初值设为1,则由于所有pthread_once()都必须等待其中一个激发"已执行一次"信号,因此所有pthread_once()都会陷入永久的等待中;如果设为2,则表示该函数已执行过一次,从而所有pthread_once()都会立即返回0。

4. pthread_kill_other_threads_np()
void pthread_kill_other_threads_np(void)

这个函数是LinuxThreads针对本身无法实现的POSIX约定而做的扩展。POSIX要求当进程的某一个线程执行exec*系统调用在进程空间中加载另一个程序时,当前进程的所有线程都应终止。由于LinuxThreads的局限性,该机制无法在exec中实现,因此要求线程执行exec前手工终止其他所有线程。pthread_kill_other_threads_np()的作用就是这个。

需要注意的是,pthread_kill_other_threads_np()并没有通过pthread_cancel()来终止线程,而是直接向管理线程发"进程退出"信号,使所有其他线程都结束运行,而不经过Cancel动作,当然也不会执行退出回调函数。尽管LinuxThreads的实验结果与文档说明相同,但代码实现中却是用的__pthread_sig_cancel信号来kill线程,应该效果与执行pthread_cancel()是一样的,其中原因目前还不清楚。

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发表于 2008-06-26 16:06 |显示全部楼层

呵呵, 支持。

谢谢分享。

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发表于 2008-06-26 16:26 |显示全部楼层
IBM developers的那个教程很好

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发表于 2008-06-26 16:47 |显示全部楼层
恩,作为入门不错~~
不过多线程也就那么几个函数,涉及同步的函数就不是线程独有的了,UNPv2中有很多~

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发表于 2008-06-26 17:10 |显示全部楼层

但为什么核心级线程的效率和进程还是差不多呢?

在没有锁的情况下, 各跑40w数据都是1秒钟。 有锁的情况下,线程还比进程慢?

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发表于 2008-06-27 08:43 |显示全部楼层
好长...
study..
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