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Linux下的多线程编程

Linux下的多线程编程发信人: [e-mail] (我爱南瓜汤), 信区: Linux
标  题: Linux下的多线程编程
发信站: 幽幽黄桷兰 (Tue Dec 10 18:59:42 2002)
转信站: PKU!news.happynet.org!CQUPT

1 引言
　　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。
　　下面我们先来尝试编写一个简单的多线程程序。
2 简单的多线程编程
　　Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程
序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。顺便说一下，Linux
下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。clone（）是Linux所特有的系统
调用，它的使用方式类似fork，关于clone（）的详细情况，有兴趣的读者可以去查看有
关文档说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序example1.c。
/* example.c*/
#include
#include
void thread(void)
{
int i;
for(i=0;i< 3;i++)
printf("This is a pthread.\n");
}
int main(void)
{
pthread_t id;
int i,ret;
ret=pthread_create(&id,NULL,(void *) thread,NULL);
if(ret!=0){
printf ("Create pthread error!\n");
exit (1);
}
for(i=0;i< 3;i++)
printf("This is the main process.\n");
pthread_join(id,NULL);
return (0);
}
我们编译此程序：
gcc example1.c -lpthread -o example1
运行example1，我们得到如下结果：
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is the main process.
This is a pthread.
This is a pthread.
再次运行，我们可能得到如下结果：
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
　　前后两次结果不一样，这是两个线程争夺CPU资源的结果。上面的示例中，我们使用
到了两个函数，　　pthread_create和pthread_join，并声明了一个pthread_t型的变量
。
　　pthread_t在头文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定义：
　　typedef unsigned long int pthread_t;
　　它是一个线程的标识符。函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：
　　extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_att
r_t *__attr,
　　void *(*__start_routine) (void *), void *__arg));
　　第一个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。这里，我们的函数thre
ad不需要参数，所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针，这样将
生成默认属性的线程。对线程属性的设定和修改我们将在下一节阐述。当创建线程成功
时，函数返回0，若不为0则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为EAGAIN和EINVAL
。前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的
线程属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，
原来的线程则继续运行下一行代码。
　　函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为：
　　extern int pthread_join __P ((pthread_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回值。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。一个线程的结
束有两种途径，一种是象我们上面的例子一样，函数结束了，调用它的线程也就结束了
；另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。它的函数原型为：
　　extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noretu
rn__));
　　唯一的参数是函数的返回代码，只要pthread_join中的第二个参数thread_return不
是NULL，这个值将被传递给thread_return。最后要说明的是，一个线程不能被多个线程
等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用pthread_join的线程则返回错
误代码ESRCH。
　　在这一节里，我们编写了一个最简单的线程，并掌握了最常用的三个函数pthread_
create，pthread_join和pthread_exit。下面，我们来了解线程的一些常用属性以及如
何设置这些属性。
3 修改线程的属性
　　在上一节的例子里，我们用pthread_create函数创建了一个线程，在这个线程中，
我们使用了默认参数，即将该函数的第二个参数设为NULL。的确，对大多数程序来说，
使用默认属性就够了，但我们还是有必要来了解一下线程的有关属性。
　　属性结构为pthread_attr_t，它同样在头文件/usr/include/pthread.h中定义，喜
欢追根问底的人可以自己去查看。属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初
始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。属性
对象主要包括是否绑定、是否分离、堆栈地址、堆栈大小、优先级。默认的属性为非绑
定、非分离、缺省1M的堆栈、与父进程同样级别的优先级。
　　关于线程的绑定，牵涉到另外一个概念：轻进程（LWP：Light Weight Process）。
轻进程可以理解为内核线程，它位于用户层和系统层之间。系统对线程资源的分配、对
线程的控制是通过轻进程来实现的，一个轻进程可以控制一个或多个线程。默认状况下
，启动多少轻进程、哪些轻进程来控制哪些线程是由系统来控制的，这种状况即称为非
绑定的。绑定状况下，则顾名思义，即某个线程固定的"绑"在一个轻进程之上。被绑定
的线程具有较高的响应速度，这是因为CPU时间片的调度是面向轻进程的，绑定的线程可
以保证在需要的时候它总有一个轻进程可用。通过设置被绑定的轻进程的优先级和调度
级可以使得绑定的线程满足诸如实时反应之类的要求。
　　设置线程绑定状态的函数为pthread_attr_setscope，它有两个参数，第一个是指向
属性结构的指针，第二个是绑定类型，它有两个取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（绑定的
）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非绑定的）。下面的代码即创建了一个绑定的线程。
#include
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
/*初始化属性值，均设为默认值*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);
　　线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在上面的例子中，我们
采用了线程的默认属性，即为非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结
束。只有当pthread_join（）函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的
系统资源。而分离线程不是这样子的，它没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，
线程也就终止了，马上释放系统资源。程序员应该根据自己的需要，选择适当的分离状
态。设置线程分离状态的函数为pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *att
r, int detachstate）。第二个参数可选为PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）和 
PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）。这里要注意的一点是，如果设置一个线程
为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终
止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthrea
d_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最
简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timewait函数，让这个线程
等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多
线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait（）之类的函数，它们是使整个进
程睡眠，并不能解决线程同步的问题。
　　另外一个可能常用的属性是线程的优先级，它存放在结构sched_param中。用函数p
thread_attr_getschedparam和函数pthread_attr_setschedparam进行存放，一般说来，
我们总是先取优先级，对取得的值修改后再存放回去。下面即是一段简单的例子。
#include
#include
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_getschedparam(&attr, ?m);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr, ?m);
pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);
　　
4 线程的数据处理
　　和进程相比，线程的最大优点之一是数据的共享性，各个进程共享父进程处沿袭的
数据段，可以方便的获得、修改数据。但这也给多线程编程带来了许多问题。我们必须
当心有多个不同的进程访问相同的变量。许多函数是不可重入的，即同时不能运行一个
函数的多个拷贝（除非使用不同的数据段）。在函数中声明的静态变量常常带来问题，
函数的返回值也会有问题。因为如果返回的是函数内部静态声明的空间的地址，则在一
个线程调用该函数得到地址后使用该地址指向的数据时，别的线程可能调用此函数并修
改了这一段数据。在进程中共享的变量必须用关键字volatile来定义，这是为了防止编
译器在优化时（如gcc中使用-OX参数）改变它们的使用方式。为了保护变量，我们必须
使用信号量、互斥等方法来保证我们对变量的正确使用。下面，我们就逐步介绍处理线
程数据时的有关知识。
4.1 线程数据
　　在单线程的程序里，有两种基本的数据：全局变量和局部变量。但在多线程程序里
，还有第三种数据类型：线程数据（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局变量很象
，在线程内部，各个函数可以象使用全局变量一样调用它，但它对线程外部的其它线程
是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。例如我们常见的变量errno，它返回标准
的出错信息。它显然不能是一个局部变量，几乎每个函数都应该可以调用它；但它又不
能是一个全局变量，否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。要实现诸如此类
的变量，我们就必须使用线程数据。我们为每个线程数据创建一个键，它和这个键相关
联，在各个线程里，都使用这个键来指代线程数据，但在不同的线程里，这个键代表的
数据是不同的，在同一个线程里，它代表同样的数据内容。
　　和线程数据相关的函数主要有4个：创建一个键；为一个键指定线程数据；从一个键
读取线程数据；删除键。
　　创建键的函数原型为：
　　extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,
　　void (*__destr_function) (void *)));
　　第一个参数为指向一个键值的指针，第二个参数指明了一个destructor函数，如果
这个参数不为空，那么当每个线程结束时，系统将调用这个函数来释放绑定在这个键上
的内存块。这个函数常和函数pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (
*initroutine) (void)))一起使用，为了让这个键只被创建一次。函数pthread_once声
明一个初始化函数，第一次调用pthread_once时它执行这个函数，以后的调用将被它忽
略。
　　在下面的例子中，我们创建一个键，并将它和某个数据相关联。我们要定义一个函
数createWindow，这个函数定义一个图形窗口（数据类型为Fl_Window *，这是图形界面
开发工具FLTK中的数据类型）。由于各个线程都会调用这个函数，所以我们使用线程数
据。
/* 声明一个键*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函数 createWindow */
void createWindow ( void ) {
Fl_Window * win;
static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
/* 调用函数createMyKey，创建键*/
pthread_once ( & once, createMyKey) ;
/*win指向一个新建立的窗口*/
win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");
/* 对此窗口作一些可能的设置工作，如大小、位置、名称等*/
setWindow(win);
/* 将窗口指针值绑定在键myWinKey上*/
pthread_setpecific ( myWinKey, win);
}
/* 函数 createMyKey，创建一个键，并指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);
}
/* 函数 freeWinKey，释放空间*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
delete win;
}
　　这样，在不同的线程中调用函数createMyWin，都可以得到在线程内部均可见的窗口
变量，这个变量通过函数pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我们已经使用了
函数pthread_setspecific来将线程数据和一个键绑定在一起。这两个函数的原型如下：

　　extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *_
_pointer));
　　extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));
　　这两个函数的参数意义和使用方法是显而易见的。要注意的是，用pthread_setspe
cific为一个键指定新的线程数据时，必须自己释放原有的线程数据以回收空间。这个过