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pthread

石头哥哥
 石头哥哥
发布于 2013/08/21 14:06
字数 3522
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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
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 <pthread.h>
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.h>
pthread _t pthread_self(void);
4 Thread Creation
1.     创建线程可以调用pthread_create函数:
#i nclude <pthread.h>
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 http://en.wikipedia.org/wiki/Native_POSIX_Thread_Libraryhttp://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
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 <pthread.h>
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 <pthread.h>
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 <pthread.h>
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,党线程退出的时候,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 <pthread.h>
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


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 <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);
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 <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);
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 <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);
e.     获得读写锁的方法如下:
#i nclude <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);
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 <pthread.h>
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 <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 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 <pthread.h>
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

本文转载自:http://s99f.blog.163.com/blog/static/3511836520088143234804/

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