[APUE chapter 11] POSIX线程
简介
线程有学习了使用，以及一些基础的知识，现在再细致地学习一下线程。因此做此记录。
主要学习：
- 线程相关概念
- 线程标识
- 线程创建
- 线程终止
- 线程同步
线程的基础概念及知识
概念
- 绝对时间：把当前时间加上目标时长。（一般用timespec结构表示）
- 每个线程都包含表示执行环境所需的信息：
- 线程ID
- 一组寄存器
- 栈
- 调度优先级和策略
- 信号屏蔽字
- errno变量（见AUPE 1.7节）
- 线程私有数据（见APUE 12.6节）
- 编译链接的时候需使用 -lpthead
- POSIX线程的功能测试宏是 _POSIX_THREADS，可以用#ifdef进行测试，从而编译时确定是否支持POSIX线程。
- 也可以用_SC_THREADS常数用于调用sysconf函数，在运行时确定是否支持线程。
- 线程ID用pthread_t类型来表示，通常是一个结构， 故
- 比较两个线程ID的时候需要用一个函数来进行比较。也可使用整数，但是可移植性不好（进程用pid_t表示，是一个非负整数）
- 但是使用结构不能可移植地打印线程ID。
- 新建线程继承线程的浮点环境和信号屏蔽字，但是新建线程的挂起信号集合会被清除。
- 每个线程提供一个errno的副本。（是为了和其他使用errno的函数兼容）
- 如果进程中的任意线程调用了exit、_Exit 或者 _exit， 那么整个进程都会终止。
- 线程的终止方式：
- 从调用例程中返回，返回值是线程的退出码。
- 被同一进程中的其他线程取消。
- 线程调用pthread_exit()。
- 线程可以安排它退出时需要调用的函数，与进程用atexit的类似。见下面pthread_cleanup相关函数。
进程和线程原语的比较：
进程原语 线程原语 描述 fork pthread_create 创建新的控制流 exit pthread_exit 从现有的控制流中退出 waitpid pthread_join 从控制流中得到退出状态 atexit pthread_cancel_push 注册在退出控制流时调用的函数 getpid pthread_self 获取控制流的ID abort pthread_cancel 请求控制流的非正常退出 默认情况下， 线程的终止状态会保存直到对该线程调用pthread_join。
- 当线程处于分离状态时，线程的底层存储资源可以在线程终止时立即被回收， 故而如果对该线程调用pthread_join()会产生未定义行为。
- 什么时候要进行线程同步：
- 当一个线程可以修改变量，而其他线程也可以读取或修改的时候。
线程同步
互斥量（mutex）
- 互斥变量用pthread_mutex_t类型表示。在使用互斥变量之前，必须先对它初始化，可以设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只适合静态分配的互斥量）或通过pthread_mutex_init()函数进行初始化。
- 如果动态分配互斥量（如通过malloc分配），在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy()。
- 避免由于两个或多个以上的互斥量的使用造成死锁的方法：可以用pthread_mutex_trylock进行尝试，如果成功，则继续运行，否则释放已经占有的锁，做清理工作，过一段时间后再尝试。
读写锁（rwlock）
- 读写锁有三种状态：
- 读模式下加锁状态
- 写模式下加锁状态
- 不加锁状态
- 读写锁中， 一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁。
- 读写锁在写加锁状态时，所有的加锁操作都会阻塞；在读加锁状态时，写加锁操作阻塞，读加锁不阻塞。直到所有读锁都释放，才能再加写锁。（通常实现会在加读锁状态下，如果来了写锁，会阻塞以后的读锁，避免写锁一直得不到响应）
条件变量
- 条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。
- 使用前必须先初始化。
自旋锁（spin lock）
- 自旋锁和互斥量类似，但不是通过休眠使线程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（自旋）阻塞状态。
- 自旋锁通常作为底层原语用于实现其他类型的锁。
- 自旋锁适用情况：
- 锁被持有时间短，且线程不希望在重新调度上花费太多成本。
- 注意：不要调用在持有自旋锁情况下可能进入休眠状态的函数。（浪费资源）
屏障（barrier）
- 屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。
- 工作模式：等待所有线程到达某一点，然后再一起运行。（pthread_join时一种屏障：一个线程直到等待另一个退出） *
相关函数
pthread_equal()
- 原型：
#include - 功能：比较两个线程ID是否相等。
- 返回：不相等返回0， 相等返回非0.
pthread_self()
- 原型：
#include - 功能：获取自身线程ID。
pthread_create()
- 原型：
#include
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg); - 功能：新增一个线程。
- 参数：
- thread: 一个指向新建线程ID的指针。
- attr: 一个指针，用于定制新建线程的属性，NULL使用默认线程属性。（APUE 12.3节讨论）
- start_routine: 一个函数指针，指向新建线程后要运行的函数。
- arg: 一个指针，指向运行函数的参数。
- 返回：成功返回0， 否则返回错误编号。
pthread_exit()
- 原型：
#include - 功能：退出线程
- 参数：
- retval: 线程的返回值。可以是一个结构，可被pthread_join获取。
pthread_join()
- 原型：
#include - 功能：等待指定线程终止、获取指定线程的返回值。
- 调用线程一直阻塞，直到指定线程调用pthread_exit或从启动例程返回或被取消。
- 如果线程简单地从启动例程返回，则retval包含返回码；如果是取消，retval指定的内存单元被设置为PTHREAD_CANCELED.
- 参数：
- thread：指定线程的ID；
- retval：pthread_exit中是单指针，这里是双重指针，获取指定线程的retval.
- 返回值：成功返回0， 否则返回错误编号。
pthread_cancel()
- 原型：
#include - 功能：取消线程，请求取消同一进程中的线程。（注意：不懂待线程终止，仅仅是提出请求）
- 参数：
- thread：指定的线程ID；
pthread_cleanup_push() 和 pthread_cleanup_pop()
- 原型：
#include
void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute); - 功能：设置线程清理处理函数。
- 参数：
- routine：函数指针，指向线程清理函数。
- arg: 无类型指针，线程清理函数的参数。
- execute：当此参数设置为0时，清理函数不被调用。
- 注意：
- 当线程执行以下动作时， 清理函数routine由pthread_cleanup_push函数调度。
- 当用pthread_exit时；
- 响应取消请求时；（pthread_cancel())
- 用非零execute参数调用pthread_cleanup_pop时。
- 如果启动例程是return的，则不会调用处理函数，用pthread_exit()则会调用。
- 当线程执行以下动作时， 清理函数routine由pthread_cleanup_push函数调度。
pthread_detach
- 原型:
#include - 功能: 分离线程。
- 注意：也可以通过修改pthread_create函数的线程属性，创建一个处于分离状态的线程。
pthread_mutex相关
- 原型：
#include - 功能：
- init: 初始化互斥量。
- lock: 对互斥量加锁。
- trylock：尝试对互斥量加锁，如果没有加锁则锁住，返回0，否则返回EBUSY，不会阻塞。
- unlock: 对互斥量解锁。
- destroy: 销毁互斥量。
- 参数：
- mutex：互斥变量。
- mutexattr：互斥量属性。（APUE 12.4节讨论）
- 返回：成功0，否则返回错误编号。
pthread_mutex_timelock
- 原型：
#include - 功能：和pthread_mutex_lock基本相同，只是在加锁已加锁的互斥量的时候，只阻塞指定时间，如果期间没有解锁，则返回ETIMEDOUT。
- 参数：
- mutex：线程ID
- tsptr：时间结构变量指针。
- 返回：成功0， 否则错误编号。
pthread_rwlock相关
- 原型：
#include - 功能：初始化/销毁读写锁。（读写锁在使用前，必须初始化）
- 参数：
- rwlock：读写锁。
- attr：读写锁的属性。
返回：成功0，否则错误编号。
pthread_rwlock_time*
- 原型：
#include - 功能： 带有超时的加锁函数。指定时间内不能获得锁，则返回ETIMEDOUT错误。
- 返回： 成功0， 否则错误编号。
- 注意：超时指定的时绝对时间，不是相对时间（互斥量那里也是，有疑问？）
pthread_cond相关
- 原型：
#include - 功能：
- init：初始化。
- destroy：反初始化（deinitialize）
- wait：等待条件变量变为真。
- timedwait：和wait类似，只是多了一个等待时长。
- signal：通知一个等待该条件的线程：条件已经满足。
- broadcase：通知所有等待该条件的线程：条件已经满足。
- 参数：
- cond：条件变量；
- attr：条件变量属性；
- mutex：互斥锁。
- abstime：时间结构指针。
注意：一定要在改变条件状态后再给线程发送信号。
pthread_spin相关
- 原型：
#include - 功能：略。
- 参数：
- lock：锁；
- pshared：进程共享属性，表明自旋锁时如何获取的。如：
- 设为PTHREAD_PROCESS_SHARED：自旋锁能被访问锁底层内存的线程获取，即便那些线程不属于桶一进程。
- 设为PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：自旋锁只能被初始化该锁的进程内的线程使用。
- 返回：成功0， 否则错误编号。
pthread_barrier相关
- 原型：
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier,
const pthread_barrierattr_t *restrict attr, unsigned count);
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);- 功能：
- wait：线程已经完成工作，等待所有其他线程赶上来。（计数，当wait的线程数>=count的时候，所有阻塞线程继续运行）
- 参数：
- barrier：屏障变量。
- attr：屏障属性。
- count：必须达到屏障的线程数目。（如果要改变计数，需要线程destroy再init）
拓展
- 获取时间的方法：
struct timespec tout;
struct tm *tmp;
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);
tmp = localtime(&tout.tv_sec);
strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp);参考资料
- 《unix环境高级编程（第三版）》第11章
- linux系统的man手册
相关下载
相关库
- pthread_mutex相关函数在ubuntu16.04中没有man pages，需要安装glibc-doc。
- pthread_rwlock相关函数在ubuntu16.04中没有man pages，需要安装manpages-posix和manpages-posix-dev
CSDN：http://download.csdn.net/detail/i_scream_/9668052
示例代码下载
p310: 打印线程ID。
p312: 获取终止线程的退出码。
p313: pthread_exit参数的不正确使用。
p316: 线程清理处理函数
p322: 使用互斥量保护数据结构
p323: 使用两个互斥量。
p325: 简化的锁（未完成）
p330: 使用读写锁。
p334: 使用条件变量。
p337: 使用屏障的一个排序程序（排序8百万数据只要0.5s，在ubuntu 1604 64bit 8G内存 4核 i5下）
CSDN：http://download.csdn.net/detail/i_scream_/9668052
github：https://github.com/isshe/2.Advanced_programming/tree/master/chapter_11