Pthread 介绍
1 Introduction
不用介绍了吧…
2 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
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 _t pthread_self(void);
4 Thread Creation
1. 创建线程可以调用pthread_create函数：
＃i nclude
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_Library和http://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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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;
long tv_nsec;
};
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
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。
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相关链接：
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