Unix环境高级编程学习笔记（七） 多线程

线程概述

线程（thread）技术早在60年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在80年代中期，solaris是这方面的佼佼者。传统的Unix也支持线程的概念，但是在一个进程（process）中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括Windows/NT，当然，也包括Linux。　　

为什么有了进程的概念后，还要再引入线程呢？使用多线程到底有哪些好处？什么的系统应该选用多线程？我们首先必须回答这些问题。　　

使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。　　

使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。　　

除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：　　

1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。　　

2) 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。　　

3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。

一个线程所包含的信息呈现出了它在一个进程中的执行环境，它们包括线程ID，线程栈，时刻优先级和策略（a scheduling priority and policy），信号屏蔽字，error变量以及线程相关的特定数据（线程私有数据）。在一个进程中几乎所有的东西都是可以共享的，包括代码段，全局变量以及堆、栈，还包括文件描述符等。一个线程的线程ID是用于在进程中唯一确定的标识，和进程ID不同，它只有在该线程所在的进程中才有意义。

线程的创建

首先我们来看一下调用函数：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr,   
2.         void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg);  

它的第一个参数是O类型的，用于获取新创建的线程ID，attr是线程属性，默认时可赋值为空，start_rtn是一个函数指针，线程创建成功后，该函数将作为线程的入口函数开始运行，arg是传递给该线程函数的参数。

新创建的线程有权访问它所在进程的地址空间，它将继承父线程的浮点环境（floating-point environment）以及信号屏蔽字，不过，已经处于阻塞队列中的信号将被清空。

新创建的线程默认将以分离模式运行，也就是说，当线程结束时，系统将自动回收其资源，并扔掉其结束状态。当然，我们也可以通过设置其线程属性来使线程以非分离模式运行，在此模式下，线程结束时，必须由其他线程调用join函数来释放其资源并获取其结束状态。

我们来看看线程属性的设置方式，以下两个函数用于初始化以及销毁线程属性结构体（并非释放内存）：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);// 将属性结构体初始化为默认值：  
2. int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);  

这样，在初始化后，属性结构体就被初始化为默认值，下面的函数可用于获取以及设置线程的分离属性：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *restrict attr, int *detachstate);  
2. int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);  

在设置时，第二个参数分离状态只能是这两种常量：PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离模式）和PTHREAD_CREATE_JOINABLE。

当然，我们也可以在运行期间修改线程的分离属性，以下函数可以在线程运行时将其改变为分离模式：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_detach(pthread_t thread);  

线程属性不止用于分离属性，我们知道，由于所有的线程都使用同一个地址空间，每一个线程栈的大小就受到了限制，根据应用的业务逻辑，我们可能需要修改一个线程的栈的默认大小，例如，当存在的线程过多，我们就希望它的栈能够小一点，而如果某个线程将要执行的业务逻辑需要进行很深的递归调用，我们就希望其运行栈能够大一点。通过修改属性的方式也能对这些进行设置：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_attr_getstack(const pthread_attr_t *restrict attr,   
2.     void **restrict stackaddr, size_t *restrict stacksize);  
3. int pthread_attr_setstack(const pthread_attr_t *attr,   
4.     void *stackaddr, size_t *stacksize);  

stackaddr是栈的首地址，stacksize则是栈的大小。当然，许多时候，我们不希望自己来处理内存的分配等事宜，也可以通过以下的函数只指定栈的大小：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *restrict attr,  
2.     size_t *restrict stacksize);  
3. int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);  

一个属性对象在被设置之后可以用于多个线程的创建，同时，当属性对象使用完毕后，我们再对属性对象的更改或是destroy都不会影响到那些已经创建完成的线程。

线程终止

以下是线程正常终止的三种方式：

1. 线程从线程入口函数处返回，其返回值将是该线程的终止状态。

2. 线程调用pthread_exit函数终止当前线程，该函数的参数将被作为终止状态。

3. 该线程被相同进程中的其他线程所取消。

由于任意一个线程调用exit系列函数都将终止整个进程，因此当我们只想要终止线程时可以使用pthread_exit函数：

[cpp] view plaincopy

1. void pthread_exit(void *rval_ptr);  

如果线程被取消了，则其终止状态将是：PTHREAD_CANCELED。那么，我们该如何获得线程的终止状态呢？前面我们讲过线程的两种运行模式：分离模式和接合（join）模式。当处于分离状态终止时，其终止状态将自动被系统所舍弃，只有处于接合模式下，我们才能获得其终止状态，参看以下函数：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);  

这个方法将阻塞直到它所指定的线程终止，参数rval_ptr是O类型的，用于获取线程的终止状态。

类似于atexit函数一样，我们也可以为线程提供清理函数，以下是线程清理函数的注册函数；

[cpp] view plaincopy

1. void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);  
2. void pthread_cleanup_poppthread_cleanup_pop(int execute);  

这两个函数分别用于增加与删除清理函数，清理函数可以不止一个，其组织形式按照栈的结构组织，所以增加删除都是在栈顶操作，并且其调用顺序也是与其添加顺序相反的。出口函数在以下三种情况下会被调用：

1. 调用pthread_exit函数

2. 响应对线程的取消请求

3. 使用非0参数调用pthread_cleanup_pop函数。

从上面可以看出来，有一点也许会另我们意外，那就是，当线程从入口函数处正常返回时，清理函数并不会得到调用。

pthread_cleanup_push用于增加清理函数，我们来看一下pthread_cleanup_pop函数，它的作用是删除最后一个被注册的清理函数，如果其调用参数非0,那么在删除该清理函数的同时，它也将得到调用。有一点需要注意的是，由于pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_push可能被宏来实现，所以我们必须成对的使用它们，否则会报编译错误。下面是linux的实现方式：

[cpp] view plaincopy

1. #  define pthread_cleanup_push(routine, arg) \  
2. do {                                        \  
3. __pthread_cleanup_class __clframe (routine, arg)  
4.   
5. #  define pthread_cleanup_pop(execute) \  
6. __clframe.__setdoit (execute);                        \  
7. } while (0)  

线程取消（cancellation）

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_cancel(pthread_t tid);  

该函数的默认效果是取消tid线程，这使得该线程仿佛自己调用了pthread_exit，使用PTHREAD_CANCELED作为其结束状态。不过实际上，一个线程不必马上对该取消请求进行响应，甚至可以忽略该请求。

在默认情况下，只有当线程运行到取消点（cancellation point）时才会对取消请求进行响应，一个取消点是指线程检查其是否已经被取消的地方，POSIX.1定义了如下的一些函数作为取消点，当这些函数被调用时，将检查是否被取消，从而作出响应：

当然，还有一些其他的函数也有可能作为取消点，不过那些是可选的，依照具体的实现而不同，不具备可移植性。实际上，我们也可以自己定义取消点。请看下面的函数：

[cpp] view plaincopy

1. void pthread_testcancel(void);  

当取消请求发生时，默认情况下，它会被阻塞，直到线程对它进行响应，该函数调用时，如果已有取消请求被阻塞住，并且线程取消功能并没有被关闭（这个等会儿解释）的话，该线程将被取消。

前面说的这些都是默认操作，实际上我们也可以修改取消的状态和类型。先说取消类型（cancellation type），通过对该属性进行设置可以决定线程是否在取消点才被取消，请看函数声明：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);  

type参数只能是如下常量之一：PTHREAD_CANCEL_DEFERRED（这个是默认的） or PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS。使用第一个常量，则线程只有到取消点才会检查取消请求，但后者则决定线程可以在任何时候被取消，不必等到取消点。oldtype是一个O类型参数，用于获取历史取消类型。

我们也可以修改其取消状态使线程忽略其他线程的取消请求，使用如下函数：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);  

通过此函数可以设置线程是否对线程取消进行响应，state只能是如下常量之一：PTHREAD_CANCEL_ENABLE 或是 PTHREAD_CANCEL_DISABLE。需要注意的是，当取消状态被设置为PTHREAD_CANCEL_DISABLE时，取消请求并没有被舍弃，它只是被阻塞住了，直到当该功能再此被启用时，如果有阻塞的取消请求，线程将会被取消。

多线程下的信号量机制

每一个线程都有它自己的信号量屏蔽字，但是信号处理方式（signal disposition）却是在进程内共享的。如果一个信号量是有硬件错误或是时钟到点导致的，那么该信号将被发送给发生这些事件的线程，而如果不是这些情况引发的信号，它们将被发送给该进程下的任意一个线程。在多线程环境下使用sigprocmask函数修改信号屏蔽字的行为是未定义的，我们应该使用另外一个函数代替，那就是pthread_sigmask。

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *restrict set, sigset_t *restrict oset);  

他的使用方式和sigprocmask函数是一致的，这里就不再多作讨论了。

在多线程环境下，我们通常可以指定某个特定的线程来专门完成信号处理的工作，从而可以防止因其他工作线程被打断而引发的异常情况，先来看一个函数：

[cpp] view plaincopy

1. int sigwait(const sigset_t *restrict set, int *restrict signop);  

set参数的类型是我们前面将信号机制时所提到过的信号集，在这里它被用来指定我们想要处理的信号，而第二个参数是O类型参数，当该函数返回时，它存有我们实际接收到的信号number。当该函数调用后，线程会被阻塞，直到有它所等待的信号发生（实际上，该函数也是可能会被其他信号所中断的）。如果在调用时，已经有它要等待的信号在阻塞队列里了，那么该函数将立即返回，而不需要再阻塞。在返回之前，sigwait函数将移除掉阻塞队列中它所等待的信号。为避免可能出现的空档，造成错误的信号处理行为，线程在调用sigwait函数之前应该先把它要等待的信号给阻塞调。而在掉用sigwait函数的时候，它将自动unblock这些信号并开始等待直到那些信号中的一个被交付。在该函数返回以前，这些被unblock了的信号会被再次自动恢复阻塞。如果多个线程在调用wigwait时等待了相同的信号，当该信号发生后，只有一个线程会获得该信号并从阻塞中返回。

在linux的实现中，必须要注意的是，由于linux中实际上没有真正的线程，它所谓的线程实际上只是一个轻量级的进程，所以，当信号发生时，如果主线程没有阻塞这个信号，其他线程是sigwait不到那个信号的。因此，在使用sigwait函数时，我们最好让其他线程都把那些信号都给阻塞住。

实际上，我们也可以将信号发送给某个特定的线程，类似于kill，其函数声明如下：

[cpp] view plaincopy

1. int pthread_kill(pthread_t thread, int signo);  

该函数的作用就是向指定的线程发送指定的信号量，这里有一个小技巧，当我们指定信号量为0时，该函数可以用来检测该线程是否存在。如果接受到信号的线程对信号的默认操作是终止进程的话，那么整个进程都将被终止。

对于信号量，还有一点值得注意的是，alarm timers是属于进程的资源，所有的线程都共享了同一个alarm，所以，对于同一个进程中的多个线程来说，不用担心其他线程的干扰而使用alarm timers的方法是不存在的。

参考文献

《Linux下的多线程编程》 姚继锋