pthread 多线程基础

本文主要介绍如何通过 pthread 库进行多线程编程，并通过以下例子进行说明。

基于莱布尼兹级数计算 $\pi$ .
多线程归并排序

参考文章：

[1] https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads

API 介绍

pthread_create

作用：新建一个线程。

函数原型：

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

参数解析：

pthread_t *thread 用于缓存新线程的 pid .
const pthread_attr_t *attr 制定新线程的 attr ，如果为 NULL，那么将使用默认的 attr 。
start_routine 是新线程即将进入的执行函数。
arg 向新线程传递的某些参数，一般封装为结构体传入。

线程的中止可以通过以下方式：

调用 pthread_exit(void *retval) , 其中 retval 可以通过 pthread_join 获得。
在 start_routine 函数直接 return .
该线程被取消 (See pthread_cancel) .
线程所属的进程调用了 exit , 或者该进程的 main 函数中执行了 return .

pthread_join

等待某个线程结束。

函数原型：

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

参数解析：

thread 是某个线程的 pid .
retval 用于获取线程 start_routine 的返回值 .

基本用法请看下面的「双线程计算 $\pi$」，该例子同时能够回答为什么 retval 是 void** 类型而不是 void * 类型。

pthread_attr_t

pthread_attr_t 的定义如下：

struct __pthread_attr

{

    struct sched_param __schedparam;

    void *__stackaddr;

    size_t __stacksize;

    size_t __guardsize;

    enum __pthread_detachstate __detachstate;

    enum __pthread_inheritsched __inheritsched;

    enum __pthread_contentionscope __contentionscope;

    int __schedpolicy;

};

与之相关的 API，请看：

man pthread_attr

Examples

创建线程

下面是一个简单的多线程例子，用于演示 pthread_create 和 pthread_join 的基本用法。

该例子创建 4 个线程，通过 order[i] 分别标号，线程的工作内容是输出本线程的标号。

所涵盖的知识点：

如何创建线程
如何向线程传递参数：通过对 void *arg 进行强制类型转换实现。
pthread_join 的作用：如果去掉 pthread_join 调用，那么程序很可能是没有输出的。因为在进入各个线程的 worker 函数时，main 函数已经结束，这时候所有线程都被强制终止。

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

const int N = 4;

void* worker(void *arg)

{

    int *pid = (int *)arg;

    printf("%d ", *pid);

    return NULL;

}

int main()

{

    pthread_t pid[N] = {0};

    const int order[] = {0, 1, 2, 3};

    int i = 0;

    for (; i < N; i++)

        pthread_create(&pid[i], NULL, worker, (void *)&order[i]);

    for (i = 0; i < N; i++)

        pthread_join(pid[i], NULL);

    return 0;

}

双线程计算 π

要求：

基于莱布尼兹级数：1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - ... = PI/4
使用主线程 + 辅助线程的方式

涵盖知识点：

如何向不同的线程传递不同参数
如何获取线程的结果

代码实现：

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>

const int N = 1e8;

typedef struct { int start, end; } param_t;

typedef struct { double value; } result_t;

void *worker(void *arg)

{

    param_t *param = (param_t *)arg;

    result_t *res = (result_t *)malloc(sizeof(result_t));

    int i = param->start;

    for (; i <= param->end; i++)

    {

        if (i % 2) res->value += 1.0 / (2 * i - 1);

        else res->value -= 1.0 / (2 * i - 1);

    }

    return res;

}

double master(void *arg)

{

    double res = 0.0;

    param_t *param = (param_t *)arg;

    int i = param->start;

    for (; i <= param->end; i++)

    {

        if (i % 2) res += 1.0 / (2 * i - 1);

        else res -= 1.0 / (2 * i - 1);

    }

    return res;

}

int main()

{

    pthread_t tid = 0;

    param_t p1 = {1, N / 2}, p2 = {N / 2 + 1, N};

    pthread_create(&tid, NULL, worker, &p2);

    double val = master(&p1);

    result_t *res = NULL;

    pthread_join(tid, (void **)&res);

    printf("PI = %f\n", 4 * (val + res->value));

    free(res);

}

多线程计算 π

要求：

适应 N 核心的 CPU
不能使用全局变量，必须通过传递参数与 join 获取返回值实现