使用pthread库进行多线程编程1 - UNIX环境高级编程第11章读书笔记

11 Threads

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

#include <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

#include <pthread.h> pthread _t pthread_self(void);

4 Thread Creation

1. 创建线程可以调用pthread_create函数：

#include <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_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：

#include <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：

#include <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：

#include <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：

#include <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）

#include <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：

#include <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：

#include <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：

#include <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

#include <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

#include <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）：

#include <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。