线程学习简笔

为什么对于多数合作性任务，多线程比多个独立的进程更优越呢？

这是因为，线程共享相同的内存空间。不同的线程可以存取内存中的同一个变量。所以，程序中的所有线程都可以读或写声明过的全局变量。如果曾用fork()编写过重要代码，就会认识到这个工具的重要性。为什么呢？虽然fork()允许创建多个进程，但它还会带来以下通信问题，如何让多个进程相互通信，这里每个进程都有自己独立的内存空间。对这个问题没有一个简单的答案。虽然有许多不通种类的本地IPC(进程间通信)，但他们都遇到两个重要的障碍：

1.加强了某种形式的额外内核开销，从而降低性能。
2.对于大多数情形，IPC不是对于代码的“自然”扩展，通常极大地增加了程序的复杂性。


一、创建线程


函数简介
phread_create是UNIX环境创建线程函数


头文件
#include<pthread.h>


函数声明
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp
  const pthread_attr_t *restrict_addr,
  void *(start_rtn)(void *),
  void *restrict arg);


返回值
若成功则返回0，否则返回出错编号


返回成功时，由tidp指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。attr参数用于制定各种不同的线程属性。新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个空指针参数arg,如果需要像start_rtn函数传递的参数不止一个，那么需要把这些参数放到一个结构体中，然后把这个结构的地址作为arg的参数传入。


linux下用c开发多线程程序，linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。




参数
第一参数为指向线程标识符的指针
第二个参数用来设置线程属性
第三个参数是线程运行函数的起始地址
最后一个参数是运行函数的参数

另外，在编译时注意加上-lpthread参数，以调用静态连接库。因为pthread并非linux系统的默认库。




二、pthread_join

   函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为：
   
   extern int phread_join (pthead_t __th,void **_thread_return);
   第一个参数为被等待的线程标识符。第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来存储被等待线程的返会值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。如果执行成功，将返回0，如果失败则返回一个错误号。


    在linux中，默认情况下是在一个线程被创建后，必须使用此函数对创建的线程进行资源回收，但是可以设置Threads attributes来设置当一个线程结束时，直接回收此线程所占用的系统资源。




三、互斥锁pthread_mutex_t的使用 


    1.两种方法创建互斥锁，静态方式和动态方式。POXIX定义了一个PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来静态初始化互斥锁，方法如下：phread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITALIZER;在LinuxThreads实现中，pthread_mutex_t是一个结构，而PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER则是一个结构常量。


    动态方式是采用pthread_mutex_init()函数来初始化互斥锁，API定义如下：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *mutexattr)其中mutexattr用于指定互斥属性(见下),如果为NULL则使用缺省属性。


    pthread_mutex_destroy()用于注销一个互斥锁，API定义如下：int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex) 销毁一个互斥锁即意味着释放它所占用的资源，且要求锁当前处于开发状态。由于在linux中，互斥锁并不占用任何资源，因此LinuxThreads中的pthread_mutex_destroy()除了检查锁状态以外(锁定状态则返回EBUSY)没有其他动作。


   2.互斥锁属性


    互斥锁的属性在创建锁的时候指定，在LinuxThreads实现中仅有一个锁类型属性，不通的锁类型试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不通。当前(glibc 2.2.3,linuxthreads0.9)有四个值可供选择：


   *PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，这是缺省值，也就是普通锁。当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将形成一个等待队列，并在解锁后按优先级获得锁。这种锁策略保证了资源分配的公平性。


   *PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套锁，允许同一个线程对同一个锁成功获得多次，并通过多次unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新竞争。




   *PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，检错锁，如果同一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK,否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同。这样就保证当步允许多次加锁 时不会出现最简单情况下的死锁。


   *PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP,适应锁，动作最简单的锁类型，仅等待解锁后重新竞争。




3.锁操作


    锁操作主要包括加锁pthread_mutex_lock()、解锁pthread_mutex_unlock()和测试加锁pthread_mutex_trylock()三个，不论哪种类型的锁，都不可能被两个不同的线程时得到，而必须等待解锁。对于普通锁和适应锁类型，解锁者可以是同进程内任何线程；而检错锁则必须由加锁者解锁才有效，否则EPERM;对于嵌套锁，文档和实现要求必须由加锁者解锁，但试验结果表明并没有这种限制，这个不同目前还没有得到解释。在同一进程中的线程，如果加锁后没有解锁，则任何其他线程都无法在获得锁。


    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);


phread_mutex_trylock()语义与pthread_mutex_lock()类似，不同的是在锁已经被占用时返回EBUSY而不是挂起等待。




四、使用条件变量提高效率


    如果线程正在等待某个特定条件发生，它应该如何处理这种情况？它可以重复对互斥对象锁定和解锁，每次都会检查共享数据结,以查找某个值。但这是在浪费时间和资源，而且这种繁忙查询的效率非常低。解决这个问题的最佳方法是使用pthread_cond_wait()调用来等待特殊条件发生。


   条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括连个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"(给出条件成立信号)。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。




1.创建和注销


条件变量和互斥锁一样，都有静态、动态两种创建方式，静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：


pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER


动态方式调用pthread_cond_init()函数,API定义如下：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);


尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL,且被忽略。


注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy(),只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定下如下：


int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);


2.等待和激发


int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex,const struct timespec *abstime)


等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait(),其中计时等待如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT,结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林时间1970年1月1日0时0分0秒。


无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()(或pthread_cond_timedwait(),下同)的竞争条件。mutex互斥锁必须是普通锁(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者适应锁(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP)，且在调用pthread_cond_wait()前必须给本线程加锁(pthread_mutex_lock()),而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。




激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。