用多线程编程

2 用多线程编程

2.1线程(函数)库（The Threads Library）

用户级多线程是通过线程库，libthread来实现的（参考手册第3页： library routines）。线程库支持信号，为可运行的程序排队，并负责同 时操纵多任务。
这一章讨论libthread中的一些通用过程，首先接触基本操作，然后循 序渐进地进入更复杂的内容。
创建线程-基本特性 Thr_create(3T)
获得线程号 Thr_self(3T)
执行线程 Thr_yield(3T,the below is same)
挂起或继续线程 Thr_suspend
Thr_continue
向线程送信号 Thr_kill
设置线程的调用掩模 Thr_sigsetmask
终止线程 Thr-exit
等待线程终止 Thr-join
维护线程的私有数据 Thr_keycreate
Thr_setspecific
Thr_getspecific
创建线程-高级特性 Thr_create
获得最小堆栈容量 Thr_min_stack
获得或设置线程的同时性等级 Thr_getconcurrency
Thr_setconcurrency
获得或设置线程的优先级 Thr_getprio
Thr_setprio

fprintf(mywindow,"%s/n",strerror(errno));
exit(1);
}
}
………
}
本线程的系统错误代码errno可以通过线程的系统调用来获得，而不是通过 其他线程。所以一个线程获得的错误码与其他线程是不同的。
变量mywindow指向一个线程私有的输入输出流。所以，一个线程的mywindow 和另外一个线程是不同的，因而最终体现在不同的窗口里。唯一的区别在于线程 库来处理errno，而程序员需要精心设计mywindow。
下面一个例子说明了mywindow的设计方法。处理器把mywindow的指针转换成为对_mywindow过程的调用。
然后调用thr_getspecific()，把全程变量mywindow_key和标识线程窗口的输出参数win传递给它。

Code Example 2-3 将全局参考转化为私有参考
#define mywindow _mywindow()
thread_key_t mywindow_key;
FILE * _mywindow(void){
FILE *win;
Thr_getspecific(mywindow_key,&win);
Return(win);
}
void thread_start(…){
…
make_mywindow();
…
}
变量mywindow标识了一类每个线程都有私有副本的变量；就是说，这些变量 是线程专有数据。每个线程调用make_mywindow()来初始化自己的窗口，并且生 成一个指向它的实例mywindow。 一旦过程被调用，现成可以安全地访问mywindow，在_mywindow函数之后，线 程可以访问它的私有窗口。所以，对mywindow的操作就象是直接操作线程私有 数据一样。

Code Example 2-4 显示了怎样设置
Code Example 2-4 初始化TSD
Void make_mywindow(void){
FILE **win;
Static int once=0;
Static mutex_t lock;
Mutex_lock(&lock);
If (!once){
Once=1;
Thr_keycreate(&mywindow_key,free_key);
}
mutext_unlock(&lock);
win=malloc(sizeof(*win));
create_window(win,…);
thr_setspecific(mywindow_key,win);
}
void freekey(void *win){
free(win);
}
首先，给关键字mywindow_key赋一个唯一的值。这个关键字被用于标识 TSD。所以，第一个调用make_mywindow的线程调用thr_keycreate()，这个函 数给其第一个参数赋一个唯一的值。第二个参数是一个析构函数，用来在线程 终止后将TSD所占的空间回收。
下一步操作是给调用者分配一个TSD的实例空间。分配空间以后，调用 create_window过程，为线程建立一个窗口并用win来标识它。最后调用 thr_setspecific()，把win(即指向窗口的存储区)的值与关键字绑在一起。
做完这一步，任何时候线程调用thr_getspecific()，传送全局关键字， 它得到的都是该线程在调用thr_setspecific时与关键字绑定的值。 如果线程结束，在thr_keycreate()中建立的析构函数将被调用，每个析构 函数只有在终止的线程用thr_setspecific()为关键字赋值之后才会执行。
2.1.11创建线程--高级特性

2.1.11.1 thr_create(3T)

#include
int thr_create(void *stack_base,size_t stack_size,
void *(*start_routine)(void *),void * arg,
long flags,thread_t *newthread);
size_t thr_min_stack(void);
stack_base--新线程所用的堆栈地址。如果本参数为空，thr_create为新线程分配一个至少长stack_size的堆栈。
Stack_size--新线程使用堆栈的字节数。如果本参数为零，将使用缺省值。如果非零，一定要比调用thr_min_stack()获得的值大。
一个最小堆栈也许不能容纳start_routine需要的堆栈大小，所以如果 stack_size被指定，一定要保证它是最小需求与start_routine及它所调用的 函数需要的堆栈空间之和。
典型情况下，由thr_create()分配的线程堆栈从一个页边界开始，到离指 定大小最接近的页边界结束。在堆栈的顶部放置一个没有访问权限的页，这样， 大多数堆栈溢出错误发生在向越界的线程发送SIGSEGV信号的时候。由调用者分 配的线程堆栈 are used as is . ????
如果调用者使用一个预分配的堆栈，在指向该线程的thr_join()函数返回 之前，堆栈将不被释放，即使线程已经终止。然后线程用该函数的返回值作为 退出码退出。
通常情况下，你不需要为线程分配堆栈空间。线程库为每个线程的堆栈分 配一兆的虚拟内存，不保留交换空间（线程库用mmap(2)的MAP_NORESERVE选项 来进行分配）。
每个用线程库创建的线程堆栈有一个"红区"。线程库将一个红区放置在堆 栈顶部来检测溢出。该页是没有访问权限的，在访问时将导致一个页错误。红 区被自动附加在堆栈顶端，不管是用指定的容量还是缺省的容量。
只有在你绝对确信你给的参数正确之后才可以指定堆栈。没有多少情况需 要去指定堆栈或它的大小。即使是专家也很难知道指定的堆栈和容量是否正确。 这是因为遵循ABI的程序不能静态地决定堆栈的大小。它的大小依赖于运行时的 环境。

2.1.11.2建立你自己的堆栈

如果你指定了线程堆栈的大小，要保证你考虑到了调用它的函数和它调用的函数需要的空间。需要把调用结果、本地变量和消息结构的成分都考虑进来。
偶尔你需要一个与缺省堆栈略有不同的堆栈。一个典型的情况是当线程需 要一兆以上的堆栈空间。一个不太典型的情况是缺省堆栈对于你来说太大了。 你可能会创建上千个线程，如果使用缺省堆栈时，就需要上G的空间。
堆栈的上限是很显然的，但下限呢？一定要有足够的堆栈空间来保存堆栈 框架和本地变量。
你可以用thr_min_stack()函数来获得绝对的最小堆栈容量，它返回运行一 个空过程所需要的堆栈空间。有实际用途的线程需要的更多，所以在减小线程 堆栈的时候要小心。
你通过两种方式指定一个堆栈。第一种是给堆栈地址赋空值，由实时的运 行库来为堆栈分配空间，但需要给stack_size参数提供一个期望的值。
另外一种方式是全面了解堆栈管理，为thr_create函数提供一个堆栈的指 针。这意味着你不但要负责为堆栈分配空间，你还要考虑在线程结束后释放这 些空间。
在你为自己的堆栈分配空间之后，一定要调用一个mprotect(2)函数来为它 附加一个红区。
Start_routine--指定新线程首先要执行的过程。当start_routine返回时， 线程用该返回值作为退出码退出（参考thr_exit(3T)）。
注意，你只能指定一个参数。如果你想要多参数，把他们作成一个（例如 写入一个结构）。这个参数可以是任何一个由void说明的数据，典型的是一个 4字节的值。任何更大的值都需要用指针来间接传送。
Flags--指定创建线程的属性。在多数情况下提供0即可。
Flags的值通过位或操作来赋。
THR_SUSPENDED--新线程挂起，在thr_continue()后再执行 start_routine。用这种办法在运行线程之前对它进行操作（例如改变 优先级）。分离线程的终止被忽略。
THR_DETACHED--将新线程分离，使线程一旦终止，其资源可以得到立刻 回收利用。如果你不需要等待线程结束，设置此标志。 如果没有明确的同步要求，一个不挂起的，分离的线程可以在它 的创建者调用的thr_create函数返回之前终止并将线程号和其他资源 移交给其他线程使用。
THR_BOUND--将一个新线程永久绑定在一个LWP上（新线程为绑定线程）。
THR_NEW_LWP--给非绑定线程的同时性等级加1。效果类似于用 thr_setconcurrency(3T)来增加同时性等级，但是使用 thr_setconcurrency()不影响等级设置。典型的，THR_NEW_LWP在LWP池 内增加一个LWP来运行非绑定线程。
如果你同时指定了THR_BOUND和THR_NEW_LWP，两个LWP被创建，一 个被绑定在该线程上，另外一个来运行非绑定线程。
THR_DAEMON--标志新线程为守护线程。当所有的非守护线程退出后进程 结束。守护线程不影响进程退出状态，在统计退出的线程数时被忽略。 一个进程可以通过调用exit(2)或者在所有非守护线程调用 thr_exit(3T)函数终止的时候终止。一个应用程序，或它调用的一个库， 可以创建一个或多个在决定是否退出的时候被忽略的线程。用 THR_DAEMON标志创建的线程在进程退出的范畴不被考虑。 New_thread--在thr_create()成功返回后，保存指向存放新线程ID的地址。 调用者负责提供保存这个参数值指向的空间。 如果你对这个值不感兴趣，给它赋值0。 返回值--thr_thread在正常执行后返回0，其他值意味着错误。在以下情况 发生时，函数失败并返回相关值。
EAGAIN 超过系统限制，例如创建了太多的LWP。
ENOMEM 内存不够创建新线程。
EINVAL stack_base非空，但stack_size比thr_minstack()的返回值小。

2.1.11.3 Thr_create(3T)例程

例2-5显示了怎样用一个与创建者（orig_mask）不同的新的信号掩模来创建新线程。
在这个例子当中，new_mask被设置为屏蔽SIGINT以外的任何信号。然后创建者的信号掩模被改变，以便新线程继承一个不同的掩模，在thr_create()返回后，创建者的掩模被恢复为原来的样子。
例子假设SIGINT不被创建者屏蔽。如果最初是屏蔽的，用相应的操作去掉屏蔽。另外一种办法是用新线程的start routine来设置它自己的信号掩模。
Code Example 2-5 thr_create() Creates Thread With New Signal Mask
thread_t tid;
sigset_t new_mask, orig_mask;
int error;
(void)sigfillset(&new_mask);
(void)sigdelset(&new_mask, SIGINT);
(void)thr_sigsetmask(SIGSETMASK, &new_mask, &orig_mask):
error = thr_create(NULL, 0, dofunc, NULL, 0, &tid);
(void)thr_sigsetmask(SIGSETMASK, NULL, &orig_mask);

2.1.12获得最小堆栈

thr_min_stack(3T) 用thr_min_stack(3T)来获得线程的堆栈下限
#include
size_t thr_min_stack(void);
thr_min_stack()返回执行一个空线程所需要的堆栈大小（空线程是一个创 建出来执行一个空过程的线程）。
如果一个线程执行的不仅仅是空过程，应当给它分配比thr_min_stack()返 回值更多的空间。
如果线程创建时由用户指定了堆栈，用户应当为该线程保留足够的空间。在 一个动态连接的环境里，确切知道线程所需要的最小堆栈是非常困难的。
大多数情况下，用户不应当自己指定堆栈。用户指定的堆栈仅仅用来支持那 些希望控制它们的执行环境的应用程序。
一般的，用户应当让线程库来处理堆栈的分配。线程库提供的缺省堆栈足够 运行任何线程。

2.1.13设置线程的同时性等级

2.1.13.1 thr_getconcurrency(3T)

用thr_getconcurrency()来获得期望的同时性等级的当前值。实际上同时活动的线程数可能会比这个数多或少。
#include
int thr_getconcurrency(void)
返回值--thr_getconcurrency()为期望的同时性等级返回当前值。

2.1.13.2 Thr_setconcurrency(3T)

用thr_setconcurrency()设置期望的同时性等级。
#include
int thr_setconcurrency(new_level)
进程中的非绑定线程可能需要同时活动。为了保留系统资源，线程系统的缺 省状态保证有足够的活动线程来运行一个进程，防止进程因为缺少同时性而死锁。
因为这也许不会创建最有效的同时性等级，thr_setconcurrency()允许应用 程序用new_level给系统一些提示，来得到需要的同时性等级。
实际的同时活动的线程数可能比new_level多或少。
注意，如果没有用thr_setconcurrency调整执行资源，有多个 compute-bound(????)线程的应用程序将不能分配所有的可运行线程。
你也可以通过在调用thr_create()时设置THR_NEW_LWP标志来获得期望的同时性等级。
返回值--thr_setconcurrency()在正常执行后返回0，其他值意味着错误。在以下情况发生时，函数失败并返回相关值。
EAGAIN 指定的同时性等级超出了系统资源的上限。
EINVAL new_level的值为负。

2.1.14得到或设定线程的优先级

一个非绑定线程在调度时，系统仅仅考虑进程内的其他线程的简单的优先级， 不做调整，也不涉及内核。线程的系统优先级的形式是唯一的，在创建进程时继 承而来。

2.1.14.1 Thr_getprio(3T)

用thr_getprio()来得到线程当前的优先级。
#include
int thr_getprio(thread_t target_thread,int *pri)
每个线程从它的创建者那里继承优先级，thr_getprio把target_thread当前 的优先级保存到由pri指向的地址内。
返回值--thr_getprio()在正常执行后返回0，其他值意味着错误。在以下情 况发生时，函数失败并返回相关值。
ESRCH target_thread在当前进程中不存在。

2.1.14.2 Thr_setprio(3T)

用thr_setprio()来改变线程的优先级。
#include
int thr_setprio(thread_t target_thread,int pri)

thr_setprio改变用target_thread指定的线程的优先级为pri。缺省状态下， 线程的调度是按照固定的优先级--从0到最大的整数--来进行的，即使不全由优先 级决定，它也占有非常重要的地位。Target_thread将打断低优先级的线程，而让 位给高优先级的线程。
返回值--thr_setprio()在正常执行后返回0，其他值意味着错误。在以下情况发生时，函数失败并返回相关值。
ESRCH target_thread在当前进程中找不到。
EINVAL pri的值对于和target_thread相关的调度等级来说没有意义。

2.1.15线程调度和线程库函数

下面的libthread函数影响线程调度

2.1.15.1 thr_setprio()和thr_getprio()
这两个函数用来改变和检索target_thread的优先级，这个优先级在用户级线程库调度线程时被引用，但与操作系统调度LWP的优先级无关。
这个优先级影响线程和LWP的结合--如果可运行的线程比LWP多的时候，高优 先级的线程得到LWP。线程的调度是"专横"的，就是说，如果有一个高优先级的线 程得不到空闲的LWP，而一个低优先级的线程占有一个LWP，则低优先级的线程被 迫将LWP让给高优先级的线程。

2.1.15.2 thr_suspend()和thr_continue()
这两个函数控制线程是否被允许运行。调用thr_suspend()，可以把线程设置 为挂起状态。就是说，该线程被搁置，即使有可用的LWP。在其他线程以该线程为 参数调用thr_continue后，线程退出挂起状态。这两个函数应当小心使用--它们 的结果也许是危险的。例如，被挂起的线程也许是处在互锁状态的，将它挂起可 能会导致死锁。
一个线程可以在创建时用THR_SUSPENDED标志设置为挂起。

2.1.15.3 thr_yield()
Thr_yield函数使线程在相同优先级的线程退出挂起状态后交出LWP。（不会有 更高优先级的线程可运行而没有运行，因为它会通过强制的方式取得LWP）。这个 函数具有非常重要的意义，因为在LWP上没有分时的概念（尽管操作系统在执行LWP 时有分时）。
最后，应当注意priocntl(2)也会影响线程调度。更详细的内容请参照"LWP和调度等级"。