线程的基本用法

chengtaotxwd

线程与进程基本关系进程概念
　　
   进程是表示资源分配的基本单位，又是调度运行的基本单位。例如，用户运行自己的程序，系统就创建一个进程，并为它分配资源，包括各种表
格、内存空间、磁盘空间、I／O设备等。然后，把该进程放人进程的就绪队列。进程调度程序选中它，为它分配CPU以及其它有关资源，该进程才真正运行。所
以，进程是系统中的并发执行的单位。
　　在Mac、Windows NT等采用微内核结构的操作系统中，进程的功能发生了变化：它只是资源分配的单位，而不再是调度运行的单位。在微内核系统中，真正调度运行的基本单位是线程。因此，实现并发功能的单位是线程。
线程概念
　　线程是进程中执行运算的最小单位，亦即执行处理机调度的基本单位。如果把进程理解为在逻辑上操作系统所完成的任务，那么线程表示完成该任务的许多可能的子任务之一。例如，假
设用户启动了一个窗口中的数据库应用程序，操作系统就将对数据库的调用表示为一个进程。假设用户要从数据库中产生一份工资单报表，并传到一个文件中，这是
一个子任务；在产生工资单报表的过程中，用户又可以输人数据库查询请求，这又是一个子任务。这样，操作系统则把每一个请求――工资单报表和新输人的数据查
询表示为数据库进程中的独立的线程。线程可以在处理器上独立调度执行，这样，在多处理器环境下就允许几个线程各自在单独处理器上进行。操作系统提供线程就是为了方便而有效地实现这种并发性
引入线程的好处
（1）易于调度。
（2）提高并发性。通过线程可方便有效地实现并发性。进程可创建多个线程来执行同一程序的不同部分。
（3）开销少。创建线程比创建进程要快，所需开销很少。。
（4）利于充分发挥多处理器的功能。通过创建多线程进程（即一个进程可具有两个或更多个线程），每个线程在一个处理器上运行，从而实现应用程序的并发性，使每个处理器都得到充分运行。
进程和线程的关系

• 
  一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。
• 
  处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。
• 
  线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。
• 线程共享信息，因此同步问题需要重点考虑
• 线程是进程的一部分，所以线程有的时候被称为是轻权进程或者轻量级进程。
• 一个没有线程的进程是可以被看作单线程的，如果一个进程内拥有多个进程，进程的执行过程不是一条线（线程）的，而是多条线（线程）共同完成的。
• 系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存区域，但是不会为线程分配内存（线程所使用的资源是它所属的进程的资源），线程组只能共享资源。那就是
  说，出了CPU之外（线程在运行的时候要占用CPU资源），计算机内部的软硬件资源的分配与线程无关，线程只能共享它所属进程的资源。
• 与进程的控制表PCB相似，线程也有自己的控制表TCB，但是TCB中所保存的线程状态比PCB表中少多了。
• 进程是系统所有资源分配时候的一个基本单位，拥有一个完整的虚拟空间地址，并不依赖线程而独立存在。

同一进程中的线程个共享全局变量，除此之外，还共享

• 进程指令
• 打开的文件
• 信号处理函数
• 当前工作目录
• 用户ID和组ID

线程间各自有

• 线程ID
• 寄存器集合，程序计数器和栈指针
• 栈（用于保存局部变量和返回地址）
• errno
• 信号掩码
• 优先级

--------------------------------------------------------------------------------
[color="#17365d"]1 Introduction
不用介绍了吧…
[color="#17365d"]2 Thread Concepts
1.      Thread由下面部分组成：
a.      Thread ID
b.      Stack
c.      Policy
d.      Signal mask
e.      Errno
f.       Thread-Specific Data
[color="#17365d"]3 Thread Identification
1.      pthread_t用于表示Thread ID，具体内容根据实现的不同而不同，有可能是一个Structure，因此不能将其看作为整数
2.      pthread_equal函数用于比较两个pthread_t是否相等
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2)
            
        
   
3.      pthread_self函数用于获得本线程的thread id
   
        
            
            ＃i nclude
            
            pthread _t pthread_self(void);
            
        
   

[color="#17365d"]4 Thread Creation
1.      创建线程可以调用pthread_create函数：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_create(
                    pthread_t *restrict tidp,
                    const pthread_attr_t *restrict attr,
                    void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);
            
        
   
a.      pthread_t *restrict tidp：返回最后创建出来的Thread的Thread ID
b.      const pthread_attr_t *restrict attr：指定线程的Attributes，后面会讲道，现在可以用NULL
c.      void *(*start_rtn)(void *)：指定线程函数指针，该函数返回一个void *，参数也为void*
d.      void *restrict arg：传入给线程函数的参数
e.      返回错误值。
2.      pthread函数在出错的时候不会设置errno，而是直接返回错误值
3.      在
Linux系统下面，在老的内核中，由于Thread也被看作是一种特殊，可共享地址空间和资源的Process，因此在同一个Process中创建的不
同Thread具有不同的Process ID（调用getpid获得）。而在新的2.6内核之中，Linux采用了NPTL(Native
POSIX Thread Library)线程模型（可以参考
[color="#0000ff"]http://en.wikipedia.org/wiki/Native_POSIX_Thread_Library
和
[color="#0000ff"]http://www-128.ibm.com/developerworks/linux/library/l-threading.html?ca=dgr-lnxw07LinuxThreadsAndNPTL
），在该线程模型下同一进程下不同线程调用getpid返回同一个PID。
4.      不能对创建的新线程和当前创建者线程的运行顺序作出任何假设
[color="#17365d"]5 Thread Termination
1.      exit, _Exit, _exit用于中止当前进程，而非线程
2.      中止线程可以有三种方式：
a.      在线程函数中return
b.      被同一进程中的另外的线程Cancel掉
c.      线程调用pthread_exit函数
3.      pthread_exit和pthread_join函数的用法：
a.      线程A调用pthread_join(B, &rval_ptr)，被Block，进入Detached状态（如果已经进入Detached状态，则pthread_join函数返回EINVAL）。如果对B的结束代码不感兴趣，rval_ptr可以传NULL。
b.      线程B调用pthread_exit(rval_ptr)，退出线程B，结束代码为rval_ptr。注意rval_ptr指向的内存的生命周期，不应该指向B的Stack中的数据。
c.      线程A恢复运行，pthread_join函数调用结束，线程B的结束代码被保存到rval_ptr参数中去。如果线程B被Cancel，那么rval_ptr的值就是PTHREAD_CANCELLED。
两个函数原型如下：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            void pthread_exit(void *rval_ptr);
            
            int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
            
        
   
4.      一个Thread可以要求另外一个Thread被Cancel，通过调用pthread_cancel函数：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            void pthread_cancel(pthread_t tid)
            
        
   
该函数会使指定线程如同调用了pthread_exit(PTHREAD_CANCELLED)。不过，指定线程可以选择忽略或者进行自己的处理，在后面会讲到。此外，该函数不会导致Block，只是发送Cancel这个请求。
5.      线程可以安排在它退出的时候，某些函数自动被调用，类似atexit()函数。需要调用如下函数：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);
            void pthread_cleanup_pop(int execute);
            
        
   
这两个函数维护一个函数指针的Stack，可以把函数指针和函数参数值push/pop。执行的顺序则是从栈顶到栈底，也就是和push的顺序相反。
在下面情况下pthread_cleanup_push所指定的thread cleanup handlers会被调用：
a.      调用pthread_exit
b.      相应cancel请求
c.      以非0参数调用pthread_cleanup_pop()。（如果以0调用pthread_cleanup_pop()，那么handler不会被调用
有一个比较怪异的要求是，由于这两个函数可能由宏的方式来实现，因此这两个函数
的调用必须得是在同一个Scope之中，并且配对，因为在pthread_cleanup_push的实现中可能有一个{，而
pthread_cleanup_pop可能有一个}。因此，一般情况下，这两个函数是用于处理意外情况用的，举例如下：
   
        
            
            void *thread_func(void *arg)
            {
                 pthread_cleanup_push(cleanup, “handler”)
            
                 // do something
            
                 Pthread_cleanup_pop(0);
                 return((void *)0)；
            }
            
        
   

6.      进程函数和线程函数的相关性：
   
        
            
            Process Primitive
            
            
            Thread Primitive
            
            
            Description
            
        
        
            
            fork
            
            
            pthread_create
            
            
            创建新的控制流
            
        
        
            
            exit
            
            
            pthread_exit
            
            
            退出已有的控制流
            
        
        
            
            waitpid
            
            
            pthread_join
            
            
            等待控制流并获得结束代码
            
        
        
            
            atexit
            
            
            pthread_cleanup_push
            
            
            注册在控制流退出时候被调用的函数
            
        
        
            
            getpid
            
            
            pthread_self
            
            
            获得控制流的id
            
        
        
            
            abort
            
            
            pthread_cancel
            
            
            请求非正常退出
            
        
   
7.      缺
省情况下，一个线程A的结束状态被保存下来直到pthread_join为该线程被调用过，也就是说即使线程A已经结束，只要没有线程B调用
pthread_join(A)，A的退出状态则一直被保存。而当线程处于Detached状态之时，当线程退出的时候，其资源可以立刻被回收，那么这个
退出状态也丢失了。在这个状态下，无法为该线程调用pthread_join函数。我们可以通过调用pthread_detach函数来使指定线程进入
Detach状态：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_detach(pthread_t tid);
            
        
   
通过修改调用pthread_create函数的attr参数，我们可以指定一个线程在创建之后立刻就进入Detached状态
[color="#17365d"]6 Thread Synchronization
1.      互斥量：Mutex
a.      用于互斥访问
b.      类
型：pthread_mutex_t，必须被初始化为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（用于静态分配的mutex，等价于
pthread_mutex_init(…,
NULL)）或者调用pthread_mutex_init。Mutex也应该用pthread_mutex_destroy来销毁。这两个函数原型如
下：（attr的具体含义下一章讨论）
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_mutex_init(
                    pthread_mutex_t *restrict mutex,
                    const pthread_mutexattr_t *restrict attr)
            
            int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
            
        
   
c.      pthread_mutex_lock
用于Lock Mutex，如果Mutex已经被Lock，该函数调用会Block直到Mutex被Unlock，然后该函数会Lock
Mutex并返回。pthread_mutex_trylock类似，只是当Mutex被Lock的时候不会Block，而是返回一个错误值EBUSY。
pthread_mutex_unlock则是unlock一个mutex。这三个函数原型如下：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
            
            int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
            
            int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
            
        
   

2.      读写锁：Reader-Writer Locks
a.      多个线程可以同时获得读锁(Reader-Writer lock in read mode)，但是只有一个线程能够获得写锁(Reader-writer lock in write mode)
b.      读写锁有三种状态
                                           i.     一个或者多个线程获得读锁，其他线程无法获得写锁
                                          ii.     一个线程获得写锁，其他线程无法获得读锁
                                         iii.     没有线程获得此读写锁
c.      类型为pthread_rwlock_t
d.      创建和关闭方法如下：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_rwlock_init(
                    pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                    const pthread_rwlockattr_t *restrict attr)
            
            int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
            
        
   
e.      获得读写锁的方法如下：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
            
            int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
            
            int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
            
            int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
            
            int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
            
        
   

pthread_rwlock_rdlock：获得读锁
pthread_rwlock_wrlock：获得写锁
pthread_rwlock_unlock：释放锁，不管是读锁还是写锁都是调用此函数
注意具体实现可能对同时获得读锁的线程个数有限制，所以在调用
pthread_rwlock_rdlock的时候需要检查错误值，而另外两个pthread_rwlock_wrlock和
pthread_rwlock_unlock则一般不用检查，如果我们代码写的正确的话。
3.      Conditional Variable：条件
a.      条件必须被Mutex保护起来
b.      类型为：pthread_cond_t，必须被初始化为PTHREAD_COND_INITIALIZER（用于静态分配的条件，等价于pthread_cond_init(…, NULL)）或者调用pthread_cond_init
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_cond_init(
                    pthread_cond_t *restrict cond,
                    const pthread_condxattr_t *restrict attr)
            
            int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
            
        
   

c.      pthread_cond_wait
函数用于等待条件发生（=true）。pthread_cond_timedwait类似，只是当等待超时的时候返回一个错误值ETIMEDOUT。超时
的时间用timespec结构指定。此外，两个函数都需要传入一个Mutex用于保护条件
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_cond_wait(
                    pthread_cond_t *restrict cond,
                    pthread_mutex_t *restrict mutex);
            
            int pthread_cond_timedwait(
                    pthread_cond_t *restrict cond,
                    pthread_mutex_t *restrict mutex,
                    const struct timespec *restrict timeout);
            
        
   

d.      timespec结构定义如下：
   
        
            
            struct timespec {
                    time_t tv_sec;        /* seconds */
                    long    tv_nsec;       /* nanoseconds */
            };
            
        
   
注意timespec的时间是绝对时间而非相对时间，因此需要先调用gettimeofday函数获得当前时间，再转换成timespec结构，加上偏移量。
e.      有两个函数用于通知线程条件被满足（=true）：
   
        
            
            ＃i nclude
            
            int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
            
            int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
            
        
   
两者的区别是前者会唤醒单个线程，而后者会唤醒多个线程。

补充：
在传统的Unix模型中，当一个进程需要由另一个实体执行某件事时，该进程派生（fork）一个子进程，让子进程去进行处理。Unix下的大多数网络服务器程序都是这么编写的，即父进程接受连接，派生子进程，子进程处理与客户的交互。
虽然这种模型很多年来使用得很好，但是fork时有一些问题：
1. fork是昂贵的。内存映像要从父进程拷贝到子进程，所有描述字要在子进程中复制等等。目前有的Unix实现使用一种叫做写时拷贝（copy－on－write）的技术，可避免父进程数据空间向子进程的拷贝。尽管有这种优化技术，fork仍然是昂贵的。
2. fork子进程后，需要用进程间通信（IPC）在父子进程之间传递信息。Fork之前的信息容易传递，因为子进程从一开始就有父进程数据空间及所有描述字的拷贝。但是从子进程返回信息给父进程需要做更多的工作。
线程有助于解决这两个问题。线程有时被称为轻权进程（lightweight process），因为线程比进程“轻权”，一般来说，创建一个线程要比创建一个进程快10～100倍。
一个进程中的所有线程共享相同的全局内存，这使得线程很容易共享信息，但是这种简易性也带来了同步问题。
一个进程中的所有线程不仅共享全局变量，而且共享：进程指令、大多数数据、打开的文件（如描
述字）、信号处理程序和信号处置、当前工作目录、用户ID和组ID。但是每个线程有自己的线程ID、寄存器集合（包括程序计数器和栈指针）、栈（用于存放
局部变量和返回地址）、error、信号掩码、优先级。在Linux中线程编程符合Posix.1标准，称为Pthreads。所有的pthread函数
都以pthread_开头。以下先讲述5个基本线程函数，在调用它们前均要包括pthread.h头文件。然后再给出用它们编写的一个TCP客户/服务器
程序例子。
第一个函数：

   
        
            
            int pthread_create (pthread_t ＊tid,const pthread_attr_t ＊attr,void ＊      (＊func)(void ＊),void ＊arg)；
            
        
   
一个进程中的每个线程都由一个线程ID（thread ID）标识，其数据类型是pthread_t（常常是unsigned int）。如果新的线程创建成功，其ID将通过tid指针返回。
每个线程都有很多属性：优先级、起始栈大小、是否应该是一个守护线程等等，当创建线程时，我们可通过初始化一个pthread_attr_t变量说明这些属性以覆盖缺省值。我们通常使用缺省值，在这种情况下，我们将attr参数说明为空指针。
最后，当创建一个线程时，我们要说明一个它将执行的函数。线程以调用该函数开始，然后或者显
式地终止（调用pthread_exit）或者隐式地终止（让该函数返回）。函数的地址由func参数指定，该函数的调用参数是一个指针arg，如果我们
需要多个调用参数，我们必须将它们打包成一个结构，然后将其地址当作唯一的参数传递给起始函数。
在func和arg的声明中，func函数取一个通用指针（void
＊）参数，并返回一个通用指针（void
＊），这就使得我们可以传递一个指针（指向任何我们想要指向的东西）给线程，由线程返回一个指针（同样指向任何我们想要指向的东西）。调用成功，返回0，
出错时返回正Exxx值。Pthread函数不设置errno。
第二个函数：

   
        
            
            int pthread_join(pthread_t tid,void ＊＊status);
            
        
   
该函数等待一个线程终止。把线程和进程相比，pthread_creat类似于fork，而
pthread_join类似于waitpid。我们必须要等待线程的tid，很可惜，我们没有办法等待任意一个线程结束。如果status指针非空，线
程的返回值（一个指向某个对象的指针）将存放在status指向的位置。
第三个函数：

   
        
            
            pthread_t pthread_self(void);
            
        
   
线程都有一个ID以在给定的进程内标识自己。线程ID由pthread_creat返回，我们可以pthread_self取得自己的线程ID。
第四个函数：

   
        
            
            int pthread_detach(pthread_t tid);
            
        
   
线程或者是可汇合的（joinable）或者是脱离的（detached）。当可汇合的线程
终止时，其线程ID和退出状态将保留，直到另外一个线程调用pthread_join。脱离的线程则像守护进程：当它终止时，所有的资源都释放，我们不能
等待它终止。如果一个线程需要知道另一个线程什么时候终止，最好保留第二个线程的可汇合性。Pthread_detach函数将指定的线程变为脱离的。该函数通常被想脱离自己的线程调用，如：pthread_detach (pthread_self ( ));



第五个函数：
   
        
            
            void pthread_exit(void ＊status);
            
        
   
该函数终止线程。如果线程未脱离，其线程ID和退出状态将一直保留到调用进程中的某个其他线程调用pthread_join函数。指针status不能指向局部于调用线程的对象，因为线程终止时这些对象也消失。有两种其他方法可使线程终止：
1. 启动线程的函数（pthread_creat的第3个参数）返回。既然该函数必须说明为返回一个void指针，该返回值便是线程的终止状态。
2.
如果进程的main函数返回或者任何线程调用了exit，进程将终止，线程将随之终止。（这个说法是不对的！NPTL（Native Posix
Thread
Library）引入了新的退出系统调用exit_group（）。原来的exit保留用于退出单个线程，exit_group用于退出整个进程。
--------------------------------------------------------------------------------
参考：
unp
http://www.cnblogs.com/engine1984/archive/2007/08/22/865562.html
http://blog.chinaunix.net/u2/70180/showart_707539.html
               
               
               


本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u2/85269/showart_2082301.html