线程控制[pthread_create() pthread_join()] 线程同步[互斥锁 条件变量 信号量]

x86/Debian Linux/gcc

2 线程控制

此笔记涉及的线程库函数是由POSIX标准定义的，称为POSIXthread或者pthread。其它也有很多关于线程的库如C++ Boost的线程库。

(1) 创建线程函数（ man pthread_create ）

pthread_create ---- 创建一个新的线程   #include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void*), void *arg);   Compile  and  link with  -pthread.

[1] start_routine和arg

在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程从start_routine()开始执行。start_routine()函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine()的返回值类型也是void*，这个指针的含义同样由调用者自己定义。

如果需要只终止某个线程如新进程终止则有以下几种方式：

• 在新进程中调用pthread_exit(3)函数，在这个函数中指定的退出状态能被同进程中的其它线程调用pthread_join(3)函数获得，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态[进程控制[fork() exec()wait() waitpid() ]。
• 从start_routine()中返回（return）。这种给return提供返回值的方式相当于在新线程中调用pthread_join(3)函数。
• 新线程被取消（ pthread_cancel(3) ）。

任何线程调用exit(3)函数，或者主线程从main()函数中返回，会引起统一进程中的所有线程终止。

[2] attr

attr参数指向一个pthread_atrr_t结构体，这个结构体的内容被用在线程创建的时间以决定被创新线程的属性；这个结构体被pthread_init(3)及相关的函数初始化。如果attr为NULL，那么被创建的线程为默认属性。

[3] thread

成功调用pthread_reate()函数，在返回前，将新线程的ID保存在thread指向的缓冲区中；在同一进程中，这个ID可以唯一的标识这个线程，可供其它线程中的函数使用。

[4] 返回值

pthread_create()函数执行成功则返回0；否则返回错误号，此时*thread内容不定。

(2) 线程控制代码[ pthread_create()  pthread_join() ]

[1] 代码

man pthread_create下的例子：

#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <ctype.h>


#define handle_error_en(en, msg) \
       do { errno = en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

#define handle_error(msg) \
       do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)


struct thread_info {    /* Used as argument to thread_start() */
   pthread_t thread_id;        /* ID returned by pthread_create() */
   int       thread_num;       /* Application-defined thread # */
   char     *argv_string;      /* From command-line argument */
};



/* Thread start function: display address near top of our stack,
  and return upper-cased copy of argv_string */
static void *
thread_start(void *arg)
{
   struct thread_info *tinfo = arg;
   char *uargv, *p;

   printf("Thread %d: top of stack near %p; argv_string=%s\n",
           tinfo->thread_num, &p, tinfo->argv_string);

   uargv = strdup(tinfo->argv_string);
   if (uargv == NULL)
       handle_error("strdup");

   for (p = uargv; *p != '\0'; p++)
       *p = toupper(*p);

   return uargv;
}


int
main(int argc, char *argv[])
{
   int s, tnum, opt, num_threads;
   struct thread_info *tinfo;
   pthread_attr_t attr;
   int stack_size;
   void *res;

   /* The "-s" option specifies a stack size for our threads */

   stack_size = -1;
   while ((opt = getopt(argc, argv, "s:")) != -1) {
       switch (opt) {
       case 's':
           stack_size = strtoul(optarg, NULL, 0);
           break;

       default:
           fprintf(stderr, "Usage: %s [-s stack-size] arg...\n",
                   argv[0]);
           exit(EXIT_FAILURE);
       }
   }

   num_threads = argc - optind;

   /* Initialize thread creation attributes */

   s = pthread_attr_init(&attr);
   if (s != 0)
       handle_error_en(s, "pthread_attr_init");

   if (stack_size > 0) {
       s = pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
       if (s != 0)
           handle_error_en(s, "pthread_attr_setstacksize");
   }

   /* Allocate memory for pthread_create() arguments */

   tinfo = calloc(num_threads, sizeof(struct thread_info));
   if (tinfo == NULL)
       handle_error("calloc");

   /* Create one thread for each command-line argument */

   for (tnum = 0; tnum < num_threads; tnum++) {
       tinfo[tnum].thread_num = tnum + 1;
       tinfo[tnum].argv_string = argv[optind + tnum];

       /* The pthread_create() call stores the thread ID into
          corresponding element of tinfo[] */

       s = pthread_create(&tinfo[tnum].thread_id, &attr,
                          &thread_start, &tinfo[tnum]);
       if (s != 0)
           handle_error_en(s, "pthread_create");
   }

   /* Destroy the thread attributes object, since it is no
      longer needed */

   s = pthread_attr_destroy(&attr);
   if (s != 0)
       handle_error_en(s, "pthread_attr_destroy");

   /* Now join with each thread, and display its returned value */

   for (tnum = 0; tnum < num_threads; tnum++) {
       s = pthread_join(tinfo[tnum].thread_id, &res);
       if (s != 0)
           handle_error_en(s, "pthread_join");

       printf("Joined with thread %d; returned value was %s\n",
               tinfo[tnum].thread_num, (char *) res);
       free(res);      /* Free memory allocated by thread */
   }

   free(tinfo);
   exit(EXIT_SUCCESS);
}

[2] 解释

• getopt()的功能是解析程序的命令行参数并查找到其中的可选参数（以“-”开头，如-s）optstring。optind被系统初始化为1，如果getopt()解析到命令行参数中的optstring，就设置变量optind的值为optstring的位置值加1。optstring是用户给的包含命令行中可选参数的字符串，如果在optstring中的可选字符后面跟一个冒号，就说明此可选参数需要一个参数，那么getopt()在解析到这个可选参数之后就会设置optarg指针指向紧跟可选参数后面的那个元素。optstring中的可选字符后跟两个冒号表示可选字符后面跟有可选参数。
• strtoul()函数将可选参数后面的字符串转换为一个unsigned long int型。
• pthread_attr_init()初始化线程的属性参数attr。pthread_attr_setstacksize()函数设置线程属性attr中栈大小属性值为stacksize，那么用attr属性来创建的线程的栈大小至少有stacksize大。
• 在主线程中用pthread_create()函数创建了num_threads个线程。并把线程id号，传递给新线程的参数（来自命令行参数，把命令行参数对应的标记为线程的名字）都记录下来。
• 线程函数thread_start()将在三个线程中运行，局部变量p在函数最后被定义，所以它的地址最接近线程的栈地址（一个C源文件到可执行文件 [反汇编-函数栈帧 编译 链接]）。
• 主线程调用pthread_join()等待子线程结束，并在子线程结束时获取其结束状态。通过pthread_join()得到的终止状态是不同的：(1)如果thread线程通过return返回，value_ptr所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。(2) 如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel()异常终止掉，value_ptr所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。(3) 如果thread线程是自己调用pthread_exit()终止的，value_ptr所指向的单元存放的是传给pthread_exit()的参数。一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join()获取它的状态为止。但是线程也可以被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的所有资源，而不保留终止状态。不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join()，这样的调用将返回EINVAL。对一个尚未detach的线程调用pthread_join()或pthread_detach()都可以把该线程置为detach状态，也就是说，不能对同一线程调用两次pthread_join()，或者如果已经对一个线程调用了pthread_detach()就不能再调用pthread_join()了。

[3] 一运行结果

编译运行此程序gccpthread_create.c  -o pthread_reate  -pthread

./pthread  -s 0x1000000 you me him

输出结果：

Thread 1: top of stack near 0xb7591384; argv_string=you Thread 3: top of stack near 0xb558f384; argv_string=him Joined with thread 1; returned value was YOU Thread 2: top of stack near 0xb6590384; argv_string=me Joined with thread 2; returned value was ME Joined with thread 3; returned value was HIM

-s是可选择参数，紧跟其后的0x1000000是可选择参数-s的参数，optind的值为3，optarg指向0x1000000。you me him的数量是pthread_create要创建的线程数量，并以它们为名。

在主线程中调用pthread_join()来获取子线程结束时（return方式）的返回状态。线程1结束时，线程2还未运行。后运行的线程2运行结束后线程3才运行结束。操作系统会在各线程之间调度和切换，就像在多个进程之间调度和切换一样。

3 线程间同步

(1) 互斥锁(mutex)

多个线程同时访问共享数据时可能会冲突。对于多线程的程序，访问冲突的问题是很普遍的，解决的办法是引入互斥锁（Mutex，Mutual Exclusive Lock），获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作，然后释放锁给其它线程，没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据，这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作，要么都执行，要么都不执行，不会执行到中间被打断，也不会在其它处理器上并行做这个操作。

[1] 代码

书中代码(p.663- 664)：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

#define NLOOP 5000

int counter; /* incremented by threads */
pthread_mutex_t  counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


void *doit(void *);

int main(int argc, char **argv)
{ 
	pthread_t tidA, tidB; 

	pthread_create(&tidA, NULL, doit, NULL); 
	pthread_create(&tidB, NULL, doit, NULL); 

	/* wait for both threads to terminate */ 
	pthread_join(tidA, NULL); 
	pthread_join(tidB, NULL); 
	return 0;
}

void *doit(void *vptr)
{ 
	int i, val;
	
	/* * Each thread fetches, prints, and increments the counter NLOOP times. 
	   * The value of the counter should increase monotonically.
	*/
	for (i = 0; i < NLOOP; i++) { 
		pthread_mutex_lock(&counter_mutex); 
		val = counter; 
		printf("%x: %d\n", (unsigned int)pthread_self(), val + 1); 
		counter = val + 1; 
		pthread_mutex_unlock(&counter_mutex); 
	}

	return NULL;
}

• 程序中的互斥变量counter_mutex为全局变量，可以用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化，相当于用pthread_mutex_init()初始化并且attr参数为NULL。
• 主线程调用pthread_join()等待子线程的结束。子线程在访问counter的一个原子操作中获取互斥量counter_mutex的锁有权，在一个原子操作后立即释放对互斥量counter_mutex的锁有权，让其它线程有机会获取互斥量的锁有权去对counter进行原子操作，这个可以运行结果中看出来。

[2] 运行结果

gcc mutex.c  -o  mutex  -pthread

./mutex

Figure1.互斥变量的作用

一个线程可以调用pthread_mutex_lock获得Mutex（操作系统调度执行此线程），如果这时另一个线程已经调用pthread_mutex_lock获得了该Mutex，则当前线程需要挂起等待（操作系统仍可能在调度执行此线程），（操作系统调度切换运行另一线程）直到另一个线程调用pthread_mutex_unlock释放Mutex，（另一线程释放mutex时操作系统调度运行此线程）当前线程被唤醒（即从此线程上次执行的地方继续执行），才能获得该Mutex并继续执行。

如过将以上代码中的doit()函数中的 pthread_mutex_lock函数改为 pthread_mutex_trylock函数并添加EBUSY条件（<errno.h>）：

那么只能保证 pthread_mutex_trylock和 pthread_mutex_unlock之间的代码在执行的时候不会因为操作系统调度另一线程运行而被打断，就是保证一个完整的原子操作。在这样的情况下，counter的值是5000到10000之间。如果操作系统先调度获取互斥量的线程且调度时间将整个for循环执行完毕，那么counter的值就可以达10000；如果在一个线程获取互斥量期间，操作系统调度另一个线程执行，那么另一个线程将会执行for循环的其余部分，最差得情况时将for循环执行完，那么counter的值最大只能到5000。根据操作系统不同的调度情况，counter的值在[5000,10000]闭区间内。将NLOOP的值改为10，某次的运行结果如下：

Figure2.trylock运行结果

(2) 条件变量(ConditionVariable)

线程间的同步还有这样一种情况：线程A需要等某个条件成立才能继续往下执行，现在这个条件不成立，线程A就阻塞等待，而线程B在执行过程中使这个条件成立了，就唤醒线程A继续执行。在pthread库中通过条件变量（ConditionVariable）来阻塞等待一个条件，或者唤醒等待这个条件的线程。

一个Condition Variable总是和一个Mutex搭配使用的。一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个Condition Variable上阻塞等待，这个函数做以下三步操作[结合操作系统对线程的调度理解]：

• 释放Mutex
• 阻塞等待
• 当被唤醒时，重新获得Mutex并返回

pthread_cond_timedwait函数还有一个额外的参数可以设定等待超时，如果到达了abstime所指定的时刻仍然没有别的线程来唤醒当前线程，就返回ETIMEDOUT。一个线程可以调用pthread_cond_signal唤醒在某个Condition Variable上等待的另一个线程，也可以调用pthread_cond_broadcast唤醒在这个Condition Variable上等待的所有线程。

(3) 信号量(Semaphore)

信号量（Semaphore）和Mutex类似，表示可用资源的数量，和Mutex不同的是这个数量可以大于1。这种信号量不仅可用于同一进程的线程间同步，也可用于不同进程间的同步。

POSIX semaphore库函数：

#include <semaphore.h>   int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t * sem); int sem_destroy(sem_t * sem);

semaphore变量的类型为sem_t，sem_init()初始化一个semaphore变量，value参数表示可用资源的数量，pshared参数为0表示信号量用于同一进程的线程间同步，本节只介绍这种情况。在用完semaphore变量之后应该调用sem_destroy()释放与semaphore相关的资源。

调用sem_wait()可以获得资源，使semaphore的值减1，如果调用sem_wait()时semaphore的值已经是0，则挂起等待。如果不希望挂起等待，可以调用sem_trywait()。调用sem_post()可以释放资源，使semaphore的值加1，同时唤醒挂起等待的线程。

(4) 其它同步方式

用挂起等待的方式解决访问冲突不见得是最好的办法，因为这样毕竟会影响系统的并发性，在某些情况下解决访问冲突的问题可以尽量避免挂起某个线程，例如Linux内核的Seqlock、RCU（read-copy-update）等机制。[可参见UNIX系统高级环境编程]

1 线程介绍

线程在进程的地址空间中，一个进程的中可执行多个线程，每个线程是一个控制流（负责一件事情），多线程的控制流程可以长期并存，操作系统会在各线程之间调度和切换，就像在多个进程之间调度和切换一样。

同一进程的多个线程共享同一地址空间，因此TextSegment、Data Segment都是共享的，如果定义一个函数，在各线程中都可以调用，如果定义一个全局变量，在各线程中都可以访问到，除此之外，各线程还共享以下进程资源和环境：

• 文件描述符表
• 每种信号的处理方式（SIG_IGN、SIG_DFL或者自定义的信号处理函数）
• 当前工作目录
• 用户id和组id

但有些资源是每个线程各有一份的：

• 线程id
• 上下文，包括各种寄存器的值、程序计数器和栈指针
• 栈空间
• lerrno变量
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

[2014.8.12-19.47 -- 2014.8.14--20.06]

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