Posix線程編程指南（一）

線程創(chuàng)建與取消

楊沙洲(pubb@163.net)

2001 年 10 月

一、線程創(chuàng)建

1．1 線程與進(jìn)程

相對(duì)進(jìn)程而言，線程是一個(gè)更加接近于執(zhí)行體的概念，它可以與同進(jìn)程中的其他線程共享數(shù)據(jù)，但擁有自己的棧空間，擁有獨(dú)立的執(zhí)行序列。在串行程序基礎(chǔ)上引入線程和進(jìn)程是為了提高程序的并發(fā)度，從而提高程序運(yùn)行效率和響應(yīng)時(shí)間。

線程和進(jìn)程在使用上各有優(yōu)缺點(diǎn)：線程執(zhí)行開銷小，但不利于資源的管理和保護(hù)；而進(jìn)程正相反。同時(shí)，線程適合于在SMP機(jī)器上運(yùn)行，而進(jìn)程則可以跨機(jī)器遷移。

1．2 創(chuàng)建線程

POSIX通過pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程，API定義如下：

與fork()調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程的方法不同，pthread_create()創(chuàng)建的線程并不具備與主線程（即調(diào)用pthread_create()的線程）同樣的執(zhí)行序列，而是使其運(yùn)行start_routine(arg)函數(shù)。thread返回創(chuàng)建的線程ID，而attr是創(chuàng)建線程時(shí)設(shè)置的線程屬性（見下）。pthread_create()的返回值表示線程創(chuàng)建是否成功。盡管arg是void *類型的變量，但它同樣可以作為任意類型的參數(shù)傳給start_routine()函數(shù)；同時(shí)，start_routine()可以返回一個(gè)void *類型的返回值，而這個(gè)返回值也可以是其他類型，并由pthread_join()獲取。

1．3 線程創(chuàng)建屬性

pthread_create()中的attr參數(shù)是一個(gè)結(jié)構(gòu)指針，結(jié)構(gòu)中的元素分別對(duì)應(yīng)著新線程的運(yùn)行屬性，主要包括以下幾項(xiàng)：

__detachstate，表示新線程是否與進(jìn)程中其他線程脫離同步，如果置位則新線程不能用pthread_join()來同步，且在退出時(shí)自行釋放所占用的資源。缺省為PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態(tài)。這個(gè)屬性也可以在線程創(chuàng)建并運(yùn)行以后用pthread_detach()來設(shè)置，而一旦設(shè)置為PTHREAD_CREATE_DETACH狀態(tài)（不論是創(chuàng)建時(shí)設(shè)置還是運(yùn)行時(shí)設(shè)置）則不能再恢復(fù)到PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態(tài)。

__schedpolicy，表示新線程的調(diào)度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非實(shí)時(shí)）、SCHED_RR（實(shí)時(shí)、輪轉(zhuǎn)法）和SCHED_FIFO（實(shí)時(shí)、先入先出）三種，缺省為SCHED_OTHER，后兩種調(diào)度策略僅對(duì)超級(jí)用戶有效。運(yùn)行時(shí)可以用過pthread_setschedparam()來改變。

__schedparam，一個(gè)struct ? sched_param結(jié)構(gòu)，目前僅有一個(gè)sched_priority整型變量表示線程的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)。這個(gè)參數(shù)僅當(dāng)調(diào)度策略為實(shí)時(shí)（即SCHED_RR或SCHED_FIFO）時(shí)才有效，并可以在運(yùn)行時(shí)通過pthread_setschedparam()函數(shù)來改變，缺省為0。

__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表示新線程使用顯式指定調(diào)度策略和調(diào)度參數(shù)（即attr中的值），而后者表示繼承調(diào)用者線程的值。缺省為PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope，表示線程間競(jìng)爭(zhēng)CPU的范圍，也就是說線程優(yōu)先級(jí)的有效范圍。POSIX的標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個(gè)值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示與系統(tǒng)中所有線程一起競(jìng)爭(zhēng)CPU時(shí)間，后者表示僅與同進(jìn)程中的線程競(jìng)爭(zhēng)CPU。目前LinuxThreads僅實(shí)現(xiàn)了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t結(jié)構(gòu)中還有一些值，但不使用pthread_create()來設(shè)置。

為了設(shè)置這些屬性，POSIX定義了一系列屬性設(shè)置函數(shù)，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個(gè)屬性相關(guān)的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函數(shù)。

1．4 線程創(chuàng)建的Linux實(shí)現(xiàn)

我們知道，Linux的線程實(shí)現(xiàn)是在核外進(jìn)行的，核內(nèi)提供的是創(chuàng)建進(jìn)程的接口do_fork()。內(nèi)核提供了兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用__clone()和fork()，最終都用不同的參數(shù)調(diào)用do_fork()核內(nèi)API。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)線程，沒有核心對(duì)多進(jìn)程（其實(shí)是輕量級(jí)進(jìn)程）共享數(shù)據(jù)段的支持是不行的，因此，do_fork()提供了很多參數(shù)，包括CLONE_VM（共享內(nèi)存空間）、CLONE_FS（共享文件系統(tǒng)信息）、CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號(hào)句柄表）和CLONE_PID（共享進(jìn)程ID，僅對(duì)核內(nèi)進(jìn)程，即0號(hào)進(jìn)程有效）。當(dāng)使用fork系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核調(diào)用do_fork()不使用任何共享屬性，進(jìn)程擁有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，而使用pthread_create()來創(chuàng)建線程時(shí),則最終設(shè)置了所有這些屬性來調(diào)用__clone()，而這些參數(shù)又全部傳給核內(nèi)的do_fork()，從而創(chuàng)建的"進(jìn)程"擁有共享的運(yùn)行環(huán)境，只有棧是獨(dú)立的，由__clone()傳入。

Linux線程在核內(nèi)是以輕量級(jí)進(jìn)程的形式存在的，擁有獨(dú)立的進(jìn)程表項(xiàng)，而所有的創(chuàng)建、同步、刪除等操作都在核外pthread庫(kù)中進(jìn)行。pthread庫(kù)使用一個(gè)管理線程（__pthread_manager()，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立且唯一）來管理線程的創(chuàng)建和終止，為線程分配線程ID，發(fā)送線程相關(guān)的信號(hào)（比如Cancel），而主線程（pthread_create()）的調(diào)用者則通過管道將請(qǐng)求信息傳給管理線程。

二、線程取消

2．1 線程取消的定義

一般情況下，線程在其主體函數(shù)退出的時(shí)候會(huì)自動(dòng)終止，但同時(shí)也可以因?yàn)榻邮盏搅硪粋€(gè)線程發(fā)來的終止（取消）請(qǐng)求而強(qiáng)制終止。

2．2 線程取消的語義

線程取消的方法是向目標(biāo)線程發(fā)Cancel信號(hào)，但如何處理Cancel信號(hào)則由目標(biāo)線程自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續(xù)運(yùn)行至Cancelation-point（取消點(diǎn)），由不同的Cancelation狀態(tài)決定。

線程接收到CANCEL信號(hào)的缺省處理（即pthread_create()創(chuàng)建線程的缺省狀態(tài)）是繼續(xù)運(yùn)行至取消點(diǎn)，也就是說設(shè)置一個(gè)CANCELED狀態(tài)，線程繼續(xù)運(yùn)行，只有運(yùn)行至Cancelation-point的時(shí)候才會(huì)退出。

2．3 取消點(diǎn)

根據(jù)POSIX標(biāo)準(zhǔn)，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數(shù)以及read()、write()等會(huì)引起阻塞的系統(tǒng)調(diào)用都是Cancelation-point，而其他pthread函數(shù)都不會(huì)引起Cancelation動(dòng)作。但是pthread_cancel的手冊(cè)頁聲稱，由于LinuxThread庫(kù)與C庫(kù)結(jié)合得不好，因而目前C庫(kù)函數(shù)都不是Cancelation-point；但CANCEL信號(hào)會(huì)使線程從阻塞的系統(tǒng)調(diào)用中退出，并置EINTR錯(cuò)誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統(tǒng)調(diào)用前后調(diào)用pthread_testcancel()，從而達(dá)到POSIX標(biāo)準(zhǔn)所要求的目標(biāo)，即如下代碼段：

2．4 程序設(shè)計(jì)方面的考慮

如果線程處于無限循環(huán)中，且循環(huán)體內(nèi)沒有執(zhí)行至取消點(diǎn)的必然路徑，則線程無法由外部其他線程的取消請(qǐng)求而終止。因此在這樣的循環(huán)體的必經(jīng)路徑上應(yīng)該加入pthread_testcancel()調(diào)用。

2．5 與線程取消相關(guān)的pthread函數(shù)

int pthread_cancel(pthread_t thread)

發(fā)送終止信號(hào)給thread線程，如果成功則返回0，否則為非0值。發(fā)送成功并不意味著thread會(huì)終止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)

設(shè)置本線程對(duì)Cancel信號(hào)的反應(yīng)，state有兩種值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分別表示收到信號(hào)后設(shè)為CANCLED狀態(tài)和忽略CANCEL信號(hào)繼續(xù)運(yùn)行；old_state如果不為NULL則存入原來的Cancel狀態(tài)以便恢復(fù)。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)

設(shè)置本線程取消動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)機(jī)，type由兩種取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，僅當(dāng)Cancel狀態(tài)為Enable時(shí)有效，分別表示收到信號(hào)后繼續(xù)運(yùn)行至下一個(gè)取消點(diǎn)再退出和立即執(zhí)行取消動(dòng)作（退出）；oldtype如果不為NULL則存入運(yùn)來的取消動(dòng)作類型值。

void pthread_testcancel(void)

檢查本線程是否處于Canceld狀態(tài)，如果是，則進(jìn)行取消動(dòng)作，否則直接返回。

線程私有數(shù)據(jù)

本文是第二篇將向您講述線程的私有數(shù)據(jù)。

一．概念及作用

在單線程程序中，我們經(jīng)常要用到"全局變量"以實(shí)現(xiàn)多個(gè)函數(shù)間共享數(shù)據(jù)。在多線程環(huán)境下，由于數(shù)據(jù)空間是共享的，因此全局變量也為所有線程所共有。但有時(shí)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中有必要提供線程私有的全局變量，僅在某個(gè)線程中有效，但卻可以跨多個(gè)函數(shù)訪問，比如程序可能需要每個(gè)線程維護(hù)一個(gè)鏈表，而使用相同的函數(shù)操作，最簡(jiǎn)單的辦法就是使用同名而不同變量地址的線程相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以由Posix線程庫(kù)維護(hù)，稱為線程私有數(shù)據(jù)（Thread-specific Data，或TSD）。

二．創(chuàng)建和注銷

Posix定義了兩個(gè)API分別用來創(chuàng)建和注銷TSD：

int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destr_function) (void *))

該函數(shù)從TSD池中分配一項(xiàng)，將其值賦給key供以后訪問使用。如果destr_function不為空，在線程退出（pthread_exit()）時(shí)將以key所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)為參數(shù)調(diào)用destr_function()，以釋放分配的緩沖區(qū)。

不論哪個(gè)線程調(diào)用pthread_key_create()，所創(chuàng)建的key都是所有線程可訪問的，但各個(gè)線程可根據(jù)自己的需要往key中填入不同的值，這就相當(dāng)于提供了一個(gè)同名而不同值的全局變量。在LinuxThreads的實(shí)現(xiàn)中，TSD池用一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組表示：

static struct pthread_key_struct pthread_keys[PTHREAD_KEYS_MAX] = { { 0, NULL } };

創(chuàng)建一個(gè)TSD就相當(dāng)于將結(jié)構(gòu)數(shù)組中的某一項(xiàng)設(shè)置為"in_use"，并將其索引返回給*key，然后設(shè)置destructor函數(shù)為destr_function。

注銷一個(gè)TSD采用如下API：

int pthread_key_delete(pthread_key_t key)

這個(gè)函數(shù)并不檢查當(dāng)前是否有線程正使用該TSD，也不會(huì)調(diào)用清理函數(shù)（destr_function），而只是將TSD釋放以供下一次調(diào)用pthread_key_create()使用。在LinuxThreads中，它還會(huì)將與之相關(guān)的線程數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)為NULL（見"訪問"）。

三．訪問

TSD的讀寫都通過專門的Posix Thread函數(shù)進(jìn)行，其API定義如下：

int??pthread_setspecific(pthread_key_t??key,??const???void??*pointer)

void?*?pthread_getspecific(pthread_key_t?key)

寫入（pthread_setspecific()）時(shí)，將pointer的值（不是所指的內(nèi)容）與key相關(guān)聯(lián)，而相應(yīng)的讀出函數(shù)則將與key相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)讀出來。數(shù)據(jù)類型都設(shè)為void *，因此可以指向任何類型的數(shù)據(jù)。

在LinuxThreads中，使用了一個(gè)位于線程描述結(jié)構(gòu)（_pthread_descr_struct）中的二維void *指針數(shù)組來存放與key關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，數(shù)組大小由以下幾個(gè)宏來說明：

#define?PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE???????32

#define?PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE???\

((PTHREAD_KEYS_MAX?+?PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE?-?1)

/?PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE)

其中在/usr/include/bits/local_lim.h中定義了PTHREAD_KEYS_MAX為1024，因此一維數(shù)組大小為32。而具體存放的位置由key值經(jīng)過以下計(jì)算得到：

idx1st?=?key?/?PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE

idx2nd?=?key?%?PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE

也就是說，數(shù)據(jù)存放與一個(gè)32×32的稀疏矩陣中。同樣，訪問的時(shí)候也由key值經(jīng)過類似計(jì)算得到數(shù)據(jù)所在位置索引，再取出其中內(nèi)容返回。

四．使用范例

以下這個(gè)例子沒有什么實(shí)際意義，只是說明如何使用，以及能夠使用這一機(jī)制達(dá)到存儲(chǔ)線程私有數(shù)據(jù)的目的。

#include?

#include?

pthread_key_t???key;

void?echomsg(int?t)

{

printf("destructor?excuted?in?thread?%d,param=%d\n",pthread_self(),t);

}

void?*?child1(void?*arg)

{

int?tid=pthread_self();

printf("thread?%d?enter\n",tid);

pthread_setspecific(key,(void?*)tid);

sleep(2);

printf("thread?%d?returns?%d\n",tid,pthread_getspecific(key));

sleep(5);

}

void?*?child2(void?*arg)

{

int?tid=pthread_self();

printf("thread?%d?enter\n",tid);

pthread_setspecific(key,(void?*)tid);

sleep(1);

printf("thread?%d?returns?%d\n",tid,pthread_getspecific(key));

sleep(5);

}

int?main(void)

{

int?tid1,tid2;

printf("hello\n");

pthread_key_create(&key,echomsg);

pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);

pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);

sleep(10);

pthread_key_delete(key);

printf("main?thread?exit\n");

return?0;

}

給例程創(chuàng)建兩個(gè)線程分別設(shè)置同一個(gè)線程私有數(shù)據(jù)為自己的線程ID，為了檢驗(yàn)其私有性，程序錯(cuò)開了兩個(gè)線程私有數(shù)據(jù)的寫入和讀出的時(shí)間，從程序運(yùn)行結(jié)果可以看出，兩個(gè)線程對(duì)TSD的修改互不干擾。同時(shí)，當(dāng)線程退出時(shí)，清理函數(shù)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，參數(shù)為tid。

Linux

版權(quán)聲明：本文內(nèi)容由網(wǎng)絡(luò)用戶投稿，版權(quán)歸原作者所有，本站不擁有其著作權(quán)，亦不承擔(dān)相應(yīng)法律責(zé)任。如果您發(fā)現(xiàn)本站中有涉嫌抄襲或描述失實(shí)的內(nèi)容，請(qǐng)聯(lián)系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實(shí)后本網(wǎng)站將在24小時(shí)內(nèi)刪除侵權(quán)內(nèi)容。