apue学习笔记（第十一章 线程）

本章将进一步深入理解进程，了解如何使用多个控制线程（简单得说就是线程）在单进程环境中执行多个任务。

线程概念

每个线程都包含有表示执行环境所必须的信息：线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno变量以及线程私有数据。

一个进程的所有信息对该进程的所有线程都是共享的，包括可执行程序的代码、程序的全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。

线程标识

每个线程都有一个线程ID，线程ID只有在它所属的进程上下文中才有意义。

可以使用下面函数来对两个线程ID进行比较

#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tid1,pthread_t tid2);

可以通过pthread_self函数获得自身的线程ID

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);

线程创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,const pthread_attr_t *restrict attr,void *(*start_rtn)(void *),void *restrict arg);

当pthread_create成功返回时，新创建线程的线程ID会被设置成tidp指向的内存空间。

attr属性用于定制各种不同的线程属性。

新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg。

下面程序将演示线程的创建，打印出进程ID、新线程的线程ID以及初始线程的线程ID：

 #include "apue.h"
 #include <pthread.h>
 
 pthread_t ntid;
 
 void
 printids(const char *s)
 {
     pid_t        pid;
     pthread_t    tid;
 
     pid = getpid();
     tid = pthread_self();
     printf("%s pid %lu tid %lu (0x%lx)\n", s, (unsigned long)pid,
       (unsigned long)tid, (unsigned long)tid);
 }
 
 void *
 thr_fn(void *arg)
 {
     printids("new thread: ");
     return((void *));
 }
 
 int
 main(void)
 {
     int        err;
 
     err = pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, NULL);
     if (err != )
         err_exit(err, "can't create thread");
     printids("main thread:");
     sleep();
     exit();
 }

线程创建时并不能保证哪个线程先会运行：是新创建的线程，还是调用线程。本程序让主线程休眠，确保新线程有机会运行。

线程终止

如果进程中任意线程调用了exit、_Exit或者_exit，那么整个进程就会终止。

单个线程可以通过3种方式退出，因此可以在不终止整个进程的情况下，停止它的控制流。

1 线程可以简单地从启动例程中返回，返回值的线程的退出码。

2 线程可以被同一进程中的其他线程取消。

3 线程调用pthread_exit。

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *rval_ptr);

rval_ptr参数是一个无类型指针，进程中的其他线程也可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread,void **rval_ptr);

调用pthread_join后，调用线程将一直阻塞，直到指定的线程退出。

如果线程简单地从它的启动例程返回，rval_ptr将包含返回码。如果线程被取消，由rval_ptr指定的内存单元就设置成PTHREAD_CANCELED。

下面演示如何获取已终止线程的退出码：

 #include "apue.h"
 #include <pthread.h>
 
 void *
 thr_fn1(void *arg)
 {
     printf("thread 1 returning\n");
     return((void *));
 }
 
 void *
 thr_fn2(void *arg)
 {
     printf("thread 2 exiting\n");
     pthread_exit((void *));
 }
 
 int
 main(void)
 {
     int            err;
     pthread_t    tid1, tid2;
     void        *tret;
 
     err = pthread_create(&tid1, NULL, thr_fn1, NULL);
     if (err != )
         err_exit(err, "can't create thread 1");
     err = pthread_create(&tid2, NULL, thr_fn2, NULL);
     if (err != )
         err_exit(err, "can't create thread 2");
     err = pthread_join(tid1, &tret);
     if (err != )
         err_exit(err, "can't join with thread 1");
     printf("thread 1 exit code %ld\n", (long)tret);
     err = pthread_join(tid2, &tret);
     if (err != )
         err_exit(err, "can't join with thread 2");
     printf("thread 2 exit code %ld\n", (long)tret);
     exit();
 }

线程可以通过调用pthread_cancel函数来请求取消同一进程中的其他进程。

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t tid);

pthread_cancel并不等待线程终止，它仅仅提出请求，线程可以选择忽略取消或者控制如何被取消。

线程可以安排它退出时需要调用的函数，这与进程在退出时可以用atexit函数安排退出时类似的。

如果线程是通过从它的启动例程中退出返回而终止的话，它的清理处理程序就不会被调用。

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *),void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);

如果execute参数设置为非0，则调用并删除上次pthread_cleanup_push调用建立的清理处理程序。

如果execute参数为0，则清理函数将不被调用（只删除）。

我们可以调用pthread_detach分离线程。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);

线程同步

当一个线程可以修改的变量，其他线程可以读取或者修改的时候，我们就需要对这些线程进行同步，确保他们在访问变量的存储内容时不会访问到无效的值。

为了解决这个问题，线程不得不使用锁，同一时间只允许一个线程访问该变量。

互斥量

可以使用pthread的互斥接口来保护数据，确保同一时间只有一个线程访问数据。

互斥量从本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行设置（加锁），在访问完成后释放（解锁）互斥量。

互斥变量使用pthread_mutex_t数据类型表示的。在使用之前，必须对它进行初始化，如果动态分配互斥量，在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

要用默认的属性初始化互斥量，只需把attr设为NULL，也可以把互斥量设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只适用于静态分配的互斥量）进行初始化。

互斥量有以下3种功能

#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);

可以使用pthread_mutex_lock对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上锁，调用线程将阻塞直到互斥量被解锁。

可以使用pthread_mutex_unlock对互斥量解锁。

如果不希望被阻塞，可以使用pthread_mutex_trylock尝试对互斥量进行加锁。如果互斥量处于未锁住状态，则锁住互斥量，否则返回EBUSY。

避免死锁

如果线程试图对同一个互斥量加锁两次，那么它自身就会陷入死锁状态。

如果两个线程以相反的顺序锁住两个互斥量，也会导致死锁，两个线程都无法向前运行。

在同时需要两个互斥量时，让他们以相同的顺序加锁，这样可以避免死锁。

函数pthread_mutex_timedlock

与pthread_mutex_lock不同的是，pthread_mutex_timedlock允许绑定线程阻塞时间，如果超过时间值，pthread_mutex_timedlock不会对互斥量进行加锁，而是返回错误码ETIMEDOUT。

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict tsptr);

下面给出如何用pthread_mutex_timedlock避免永久阻塞

 #include "apue.h"
 #include <pthread.h>
 
 int
 main(void)
 {
     int err;
     struct timespec tout;
     struct tm *tmp;
     char buf[];
     pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 
     pthread_mutex_lock(&lock);
     printf("mutex is locked\n");
     clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);
     tmp = localtime(&tout.tv_sec);
     strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp);
     printf("current time is %s\n", buf);
     tout.tv_sec += ;    /* 10 seconds from now */
     /* caution: this could lead to deadlock */
     err = pthread_mutex_timedlock(&lock, &tout);
     clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);
     tmp = localtime(&tout.tv_sec);
     strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp);
     printf("the time is now %s\n", buf);
     if (err == )
         printf("mutex locked again!\n");
     else
         printf("can't lock mutex again: %s\n", strerror(err));
     exit();
 }

这个程序对已有的互斥量加锁，演示了pthread_mutex_timedlock是如何工作的。

读写锁

读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更高的并行性。

读写锁可以有3种状态：读模式下加锁状态，写模式下加锁状态，不加锁状态。

一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。

1. 当读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个所加锁的线程都会被阻塞。

2. 当读写锁是读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权，但是任何希望以写模式对此进行加锁的线程都会阻塞，知道所有的线程释放它们的读锁为止。

读写锁在使用之前必须初始化，在释放他们底层的内存之前必须销毁。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

下面是读写锁的3种用法

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

与互斥量一样，读写锁定义了下面两个函数

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrwrock(pthread_rwlock_t *rwlock);

带有超时的读写锁

与互斥量一样，有两个带有超时的速写锁加锁函数

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const struct timespec *restrict tsptr);

条件变量

在使用条件变量之前，必须对它进行初始化，在释放底层的内存空间之前，可以使用pthread_cond_destroy函数对条件变量进行反初始化

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，然后调用下面函数等待条件变量为真。

#include <pthread.h>
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 tsptr);

调用者把锁住的互斥量传给函数，函数自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，对互斥量解锁。pthread_cond_wati返回时，互斥量再次被锁住。

pthread_cond_timedwait则添加了一个超时值，如果超过到期时条件还是没有出现，则函数重新获取互斥量，然后返回ETIMEDOUT。

两个函数调用成功返回时，线程需要重新计算条件，因为另一个线程可能已经在运行并改变条件。

下面函数用于通知线程条件已经满足：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

phread_cond_signal函数至少能唤醒一个等待该条件的线程，而pthread_cond_broadcast函数则能唤醒等待该条件的所有线程。

下面将结合条件变量和互斥量对线程进行同步

 #include <pthread.h>
 
 struct msg {
     struct msg *m_next;
     /* ... more stuff here ... */
 };
 
 struct msg *workq;
 
 pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
 
 pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 
 void
 process_msg(void)
 {
     struct msg *mp;
 
     for (;;) {
         pthread_mutex_lock(&qlock);
         while (workq == NULL)
             pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
         mp = workq;
         workq = mp->m_next;
         pthread_mutex_unlock(&qlock);
         /* now process the message mp */
     }
 }
 
 void
 enqueue_msg(struct msg *mp)
 {
     pthread_mutex_lock(&qlock);
     mp->m_next = workq;
     workq = mp;
     pthread_mutex_unlock(&qlock);
     pthread_cond_signal(&qready);
 }

自旋锁

自旋锁与互斥量类似，但它不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（自旋）阻塞状态。

自旋锁可用于以下情况：锁被持有的时间短，而且线程并不希望在重新调度上花费太多的成本。

自旋锁的接口与互斥量的接口类似，提供了以下的5个函数。

#include <pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock,int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
 
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

屏障

屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。

屏障允许每个线程等待，直到有的合作线程到达某一点，然后从该点继续执行。pthread_join函数就是一种屏障，允许一个线程等待，直到另一个线程退出。

可以使用下面函数对屏障进行初始化跟反初始化

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier,const pthread_barrierattr_t *restrict attr,unsigned int count);
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);

count参数可以用来指定在允许所有线程继续运行之前，必须到达屏障的线程数目。

可以使用pthread_barrier_wait函数来表明，线程已经完成工作，准备等所有其他线程赶上来

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);

调用pthread_barrier_wait的线程在屏障计数（调用pthread_barrier_init时设定）未满足条件时，会进入休眠状态。

如果该线程是最后一个调用pthread_barrier_wait的线程，就满足了屏障计数，所有的线程都被唤醒。

下面给出在一个任务上合作的多个线程之间如何用屏障进行同步

 #include "apue.h"
 #include <pthread.h>
 #include <limits.h>
 #include <sys/time.h>
 
 #define NTHR   8                /* number of threads */
 #define NUMNUM 8000000L            /* number of numbers to sort */
 #define TNUM   (NUMNUM/NTHR)    /* number to sort per thread */
 
 long nums[NUMNUM];
 long snums[NUMNUM];
 
 pthread_barrier_t b;
 
 #ifdef SOLARIS
 #define heapsort qsort
 #else
 extern int heapsort(void *, size_t, size_t,
                     int (*)(const void *, const void *));
 #endif
 
 /*
  * Compare two long integers (helper function for heapsort)
  */
 int
 complong(const void *arg1, const void *arg2)
 {
     long l1 = *(long *)arg1;
     long l2 = *(long *)arg2;
 
     if (l1 == l2)
         return ;
     else if (l1 < l2)
         return -;
     else
         return ;
 }
 
 /*
  * Worker thread to sort a portion of the set of numbers.
  */
 void *
 thr_fn(void *arg)
 {
     long    idx = (long)arg;
 
     heapsort(&nums[idx], TNUM, sizeof(long), complong);
     pthread_barrier_wait(&b);
 
     /*
      * Go off and perform more work ...
      */
     return((void *));
 }
 
 /*
  * Merge the results of the individual sorted ranges.
  */
 void
 merge()
 {
     long    idx[NTHR];
     long    i, minidx, sidx, num;
 
     for (i = ; i < NTHR; i++)
         idx[i] = i * TNUM;
     for (sidx = ; sidx < NUMNUM; sidx++) {
         num = LONG_MAX;
         for (i = ; i < NTHR; i++) {
             if ((idx[i] < (i+)*TNUM) && (nums[idx[i]] < num)) {
                 num = nums[idx[i]];
                 minidx = i;
             }
         }
         snums[sidx] = nums[idx[minidx]];
         idx[minidx]++;
     }
 }
 
 int
 main()
 {
     unsigned long    i;
     struct timeval    start, end;
     long long        startusec, endusec;
     double            elapsed;
     int                err;
     pthread_t        tid;
 
     /*
      * Create the initial set of numbers to sort.
      */
     srandom();
     for (i = ; i < NUMNUM; i++)
         nums[i] = random();
 
     /*
      * Create 8 threads to sort the numbers.
      */
     gettimeofday(&start, NULL);
     pthread_barrier_init(&b, NULL, NTHR+);
     for (i = ; i < NTHR; i++) {
         err = pthread_create(&tid, NULL, thr_fn, (void *)(i * TNUM));
         if (err != )
             err_exit(err, "can't create thread");
     }
     pthread_barrier_wait(&b);
     merge();
     gettimeofday(&end, NULL);
 
     /*
      * Print the sorted list.
      */
     startusec = start.tv_sec *  + start.tv_usec;
     endusec = end.tv_sec *  + end.tv_usec;
     elapsed = (double)(endusec - startusec) / 1000000.0;
     printf("sort took %.4f seconds\n", elapsed);
     for (i = ; i < NUMNUM; i++)
         printf("%ld\n", snums[i]);
     exit();
 }

在这个实例中，使用8个线程分解了800万个数的排序工作。每个线程用堆排序算法对100万个数进行排序，然后主线程调用一个函数对这些结果进行合并。