linux 多线程

linux多线程编程

• • • linux多线程编程
      • 简单的多线程编程
      • 修改线程的属性
      • 线程的数据处理
        • 1 线程数据
        • 2 互斥锁与条件变量
          • 互斥锁上锁与解锁
          • 互斥锁初始化的问题
          • 条件变量等待与信号发送
          • 互斥锁和条件变量的属性
          • 条件变量定时等待和广播
          • 小结
        • 3 信号量

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 。

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

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

函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：

int pthread_create(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名。
• 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。
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：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

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：

函数pthread_exit

void pthread_exit(void *retval);

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。

3 修改线程的属性

　　
属性结构为pthread_attr_t，它同样在头文件/usr/include/pthread.h中定义。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);

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 互斥锁与条件变量

　　互斥锁和条件变量是出自Posix线程标准，用来同步一个进程中各个线程的，同时也可以用来同步几个进程间的，不过这需要此互斥锁和条件变量是存放在多个进程间共享的某个内存区的。

互斥锁上锁与解锁：

#include <pthread.h>

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

互斥锁初始化的问题:

可以通过两种方式初始化一个互斥锁变量：

1. 如果互斥锁变量是静态分配的，那么使用如下形式初始化：

static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

1. 如果互斥锁是动态分配的，那么我么可以用pthread_mutex_init函数初始化它。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

这两者有个很关键的地方，静态分配的话，只能使用默认的属性，而对于动态分配的，我们可以设置属性。

条件变量：等待与信号发送：

互斥锁有个劣势，那就是他仅仅是上锁和解锁，效率低，这时我们可以通过引入条件变量来解决问题，它允许一个线程或进程睡眠到某个事件为止。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

每一个条件变量总是有一个互斥锁与之关联，我们再等待某个条件为真时，还会指定条件变量的地址和所关联的互斥锁的地址，这是什么意思呢？就是说，在使用pthread_cond_wait函数之前，我们要先用一个互斥锁锁住，然后当我们调用pthread_cond_wait函数进入睡眠。注意：该函数原子的执行两个动作：
1. 给互斥锁解锁。（这就要求在调用这个函数之前要上锁）
2. 把调用线程投入睡眠。

一旦这个函数被唤醒后，那么在此函数返回前重新给互斥锁上锁。这也就决定了在接下来的程序里必须有解锁的步骤。

互斥锁和条件变量的属性：

我们可以通过设置属性来选择是一个进程中多个线程同步还是多个进程间的同步。

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

互斥锁和条件变量的属性如同互斥锁和条件变量一样，也分为静态和动态分配及其初始化。

#include <pthread.h>

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t *attr);
int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr);

至于前面讲到的更改互斥锁和条件变量的属性来达到切换是线程间同步还是进程间同步的问题是通过如下函数来操作的：

#include <pthread.h>

int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t * restrict attr, int *restrict pshared);
int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);
int pthread_condattr_getpshared(const pthread_condattr_t *restrict attr, int *restrict pshared);
int pthread_condattr_setpshared(pthread_condattr_t *attr, int pshared);

pshared的值就是用来设置这个属性的值，它可以是PTHREAD_PROCESS_PRIVATE（线程间同步）或PTHREAD_PROCESS_SHARED（进程间同步）。

条件变量定时等待和广播：

用来唤醒阻塞在此条件变量上的所有线程。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

这里要说明一点，对于第二个函数所提到的abstime，这是绝对时间，而不是我们一般索说到的相差时间，也就是说这个时间是指自UTC时间以来所流逝的秒数和纳秒数，这样就有个一个好处：如果函数因为有信号到来而过早返回了，那么这个函数可以在无需更改参数的情况下继续再次被调用。

小结：

互斥锁用于保护代码临界区，从而保证任何时刻只有一个线程或者进程在临界区执行。有时候一个线程获得某个互斥锁后，发现自己需要等待某个条件变为真，这样线程就可以等待在某个条件上。条件变量总是有一个互斥锁与之关联。

互斥锁和条件变量可以静态分配并静态初始化。它们也可以动态分配并要求动态地初始化它们。动态初始化允许我们指定进程间共享属性，从而允许在不同进程间共享某个互斥锁或条件变量，其前提是该互斥锁或条件变量必须存在在由这些进程共享的内存区

4.3 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
",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
",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。