posix线程编程指南(3).htm

POSIX平台多线程编程指南 通用开放式操作系统的多线程应用指南。

              <LI>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。 

              <LI>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。这样就保证当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。 

              <LI>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。 </LI></UL>
            <P><A name=N1006F><SPAN class=smalltitle>3． 锁操作</SPAN></A></P>
            <P>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同时得到，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，否则返回EPERM；对于嵌套锁，文档和实现要求必须由加锁者解锁，但实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再获得锁。</P>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" bgColor=#eeeeee 
            border=1>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><PRE><CODE class=section>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)</CODE></PRE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR>
            <P>pthread_mutex_trylock()语义与pthread_mutex_lock()类似，不同的是在锁已经被占据时返回EBUSY而不是挂起等待。</P>
            <P><A name=N1007F><SPAN class=smalltitle>4． 其他</SPAN></A></P>
            <P>POSIX线程锁机制的Linux实现都不是取消点，因此，延迟取消类型的线程不会因收到取消信号而离开加锁等待。值得注意的是，如果线程在加锁后解锁前被取消，锁将永远保持锁定状态，因此如果在关键区段内有取消点存在，或者设置了异步取消类型，则必须在退出回调函数中解锁。</P>
            <P>这个锁机制同时也不是异步信号安全的，也就是说，不应该在信号处理过程中使用互斥锁，否则容易造成死锁。</P><BR>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><IMG height=1 alt="" 
                  src="Posix线程编程指南(3).files/blue_rule.gif" width="100%"><BR><IMG 
                  height=6 alt="" src="Posix线程编程指南(3).files/c.gif" width=8 
                  border=0></TD></TR></TBODY></TABLE>
            <TABLE class=no-print cellSpacing=0 cellPadding=0 align=right>
              <TBODY>
              <TR align=right>
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                  width="100%"><BR>
                  <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=0>
                    <TBODY>
                    <TR>
                      <TD vAlign=center><IMG height=16 alt="" 
                        src="Posix线程编程指南(3).files/u_bold.gif" width=16 
                        border=0><BR></TD>
                      <TD vAlign=top align=right><A class=fbox 
                        href="http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/thread/posix_threadapi/part3/#main"><B>回页首</B></A></TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR><BR>
            <P><A name=2><SPAN class=atitle>条件变量</SPAN></A></P>
            <P>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，主要包括两个动作：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。</P>
            <P><A name=N10094><SPAN class=smalltitle>1． 创建和注销</SPAN></A></P>
            <P>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： 
            <BR>pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER </P>
            <P>动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下： <BR>int 
            pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t 
            *cond_attr) </P>
            <P>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。</P>
            <P>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定义如下： 
            <BR>int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond) </P>
            <P><A name=N100AC><SPAN class=smalltitle>2． 等待和激发</SPAN></A></P>
            <P>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" bgColor=#eeeeee 
            border=1>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><PRE><CODE class=section>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)</CODE></PRE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR></P>
            <P>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()，其中计时等待方式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表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。</P>
            <P>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（Race 
            Condition）。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()前必须由本线程加锁（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。</P>
            <P>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。</P>
            <P><A name=N100C2><SPAN class=smalltitle>3． 其他</SPAN></A></P>
            <P>pthread_cond_wait()和pthread_cond_timedwait()都被实现为取消点，因此，在该处等待的线程将立即重新运行，在重新锁定mutex后离开pthread_cond_wait()，然后执行取消动作。也就是说如果pthread_cond_wait()被取消，mutex是保持锁定状态的，因而需要定义退出回调函数来为其解锁。</P>
            <P>以下示例集中演示了互斥锁和条件变量的结合使用，以及取消对于条件等待动作的影响。在例子中，有两个线程被启动，并等待同一个条件变量，如果不使用退出回调函数（见范例中的注释部分），则tid2将在pthread_mutex_lock()处永久等待。如果使用回调函数，则tid2的条件等待及主线程的条件激发都能正常工作。</P>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" bgColor=#eeeeee 
            border=1>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><PRE><CODE class=section>#include &lt;stdio.h&gt;
#include &lt;pthread.h&gt;
#include &lt;unistd.h&gt;

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t  cond;

void * child1(void *arg)
{
        pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock,&amp;mutex);  /* comment 1 */
        while(1){
                printf("thread 1 get running \n");
        printf("thread 1 pthread_mutex_lock returns %d\n",
pthread_mutex_lock(&amp;mutex));
        pthread_cond_wait(&amp;cond,&amp;mutex);
                    printf("thread 1 condition applied\n");
        pthread_mutex_unlock(&amp;mutex);
                    sleep(5);
    }
        pthread_cleanup_pop(0);     /* comment 2 */
}

void *child2(void *arg)
{
        while(1){
                sleep(3);               /* comment 3 */
                printf("thread 2 get running.\n");
        printf("thread 2 pthread_mutex_lock returns %d\n",
pthread_mutex_lock(&amp;mutex));
        pthread_cond_wait(&amp;cond,&amp;mutex);
        printf("thread 2 condition applied\n");
        pthread_mutex_unlock(&amp;mutex);
        sleep(1);
        }
}

int main(void)
{
        int tid1,tid2;

        printf("hello, condition variable test\n");
        pthread_mutex_init(&amp;mutex,NULL);
        pthread_cond_init(&amp;cond,NULL);
        pthread_create(&amp;tid1,NULL,child1,NULL);
        pthread_create(&amp;tid2,NULL,child2,NULL);
        do{
        sleep(2);                   /* comment 4 */
                pthread_cancel(tid1);       /* comment 5 */
                sleep(2);                   /* comment 6 */
        pthread_cond_signal(&amp;cond);
    }while(1);  
        sleep(100);
        pthread_exit(0);
}</CODE></PRE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR>
            <P>如果不做注释5的pthread_cancel()动作，即使没有那些sleep()延时操作，child1和child2都能正常工作。注释3和注释4的延迟使得child1有时间完成取消动作，从而使child2能在child1退出之后进入请求锁操作。如果没有注释1和注释2的回调函数定义，系统将挂起在child2请求锁的地方；而如果同时也不做注释3和注释4的延时，child2能在child1完成取消动作以前得到控制，从而顺利执行申请锁的操作，但却可能挂起在pthread_cond_wait()中，因为其中也有申请mutex的操作。child1函数给出的是标准的条件变量的使用方式：回调函数保护，等待条件前锁定，pthread_cond_wait()返回后解锁。</P>
            <P>条件变量机制不是异步信号安全的，也就是说，在信号处理函数中调用pthread_cond_signal()或者pthread_cond_broadcast()很可能引起死锁。</P><BR>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><IMG height=1 alt="" 
                  src="Posix线程编程指南(3).files/blue_rule.gif" width="100%"><BR><IMG 
                  height=6 alt="" src="Posix线程编程指南(3).files/c.gif" width=8 
                  border=0></TD></TR></TBODY></TABLE>
            <TABLE class=no-print cellSpacing=0 cellPadding=0 align=right>
              <TBODY>
              <TR align=right>
                <TD><IMG height=4 alt="" src="Posix线程编程指南(3).files/c.gif" 
                  width="100%"><BR>
                  <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=0>
                    <TBODY>
                    <TR>
                      <TD vAlign=center><IMG height=16 alt="" 
                        src="Posix线程编程指南(3).files/u_bold.gif" width=16 
                        border=0><BR></TD>
                      <TD vAlign=top align=right><A class=fbox 
                        href="http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/thread/posix_threadapi/part3/#main"><B>回页首</B></A></TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR><BR>
            <P><A name=3><SPAN class=atitle>信号灯</SPAN></A></P>
            <P>信号灯与互斥锁和条件变量的主要不同在于"灯"的概念，灯亮则意味着资源可用，灯灭则意味着不可用。如果说后两中同步方式侧重于"等待"操作，即资源不可用的话，信号灯机制则侧重于点灯，即告知资源可用；没有等待线程的解锁或激发条件都是没有意义的，而没有等待灯亮的线程的点灯操作则有效，且能保持灯亮状态。当然，这样的操作原语也意味着更多的开销。</P>
            <P>信号灯的应用除了灯亮/灯灭这种二元灯以外，也可以采用大于1的灯数，以表示资源数大于1，这时可以称之为多元灯。</P>
            <P><A name=N100E4><SPAN class=smalltitle>1． 创建和注销</SPAN></A></P>
            <P>POSIX信号灯标准定义了有名信号灯和无名信号灯两种，但LinuxThreads的实现仅有无名灯，同时有名灯除了总是可用于多进程之间以外，在使用上与无名灯并没有很大的区别，因此下面仅就无名灯进行讨论。</P>
            <P>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value) 
            <BR>这是创建信号灯的API，其中value为信号灯的初值，pshared表示是否为多进程共享而不仅仅是用于一个进程。LinuxThreads没有实现多进程共享信号灯，因此所有非0值的pshared输入都将使sem_init()返回-1，且置errno为ENOSYS。初始化好的信号灯由sem变量表征，用于以下点灯、灭灯操作。 
            </P>
            <P>int sem_destroy(sem_t * sem) 
            <BR>被注销的信号灯sem要求已没有线程在等待该信号灯，否则返回-1，且置errno为EBUSY。除此之外，LinuxThreads的信号灯注销函数不做其他动作。 
            </P>
            <P><A name=N100F7><SPAN class=smalltitle>2． 点灯和灭灯</SPAN></A></P>
            <P>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" bgColor=#eeeeee 
            border=1>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><PRE><CODE class=section>int sem_post(sem_t * sem)</CODE></PRE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR>点灯操作将信号灯值原子地加1，表示增加一个可访问的资源。 
            </P>
            <P>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" bgColor=#eeeeee 
            border=1>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><PRE><CODE class=section>int sem_wait(sem_t * sem)
int sem_trywait(sem_t * sem)
</CODE></PRE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR>sem_wait()为等待灯亮操作，等待灯亮（信号灯值大于0），然后将信号灯原子地减1，并返回。sem_trywait()为sem_wait()的非阻塞版，如果信号灯计数大于0，则原子地减1并返回0，否则立即返回-1，errno置为EAGAIN。 
            </P>
            <P><A name=N1010B><SPAN class=smalltitle>3． 获取灯值</SPAN></A></P>
            <P>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=5 width="100%" bgColor=#eeeeee 
            border=1>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><PRE><CODE class=section>int sem_getvalue(sem_t * sem, int * sval)</CODE></PRE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR>读取sem中的灯计数，存于*sval中，并返回0。 
            </P>
            <P><A name=N10118><SPAN class=smalltitle>4． 其他</SPAN></A></P>
            <P>sem_wait()被实现为取消点，而且在支持原子"比较且交换"指令的体系结构上，sem_post()是唯一能用于异步信号处理函数的POSIX异步信号安全的API。</P><BR>
            <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
              <TBODY>
              <TR>
                <TD><IMG height=1 alt="" 
                  src="Posix线程编程指南(3).files/blue_rule.gif" width="100%"><BR><IMG 
                  height=6 alt="" src="Posix线程编程指南(3).files/c.gif" width=8 
                  border=0></TD></TR></TBODY></TABLE>
            <TABLE class=no-print cellSpacing=0 cellPadding=0 align=right>
              <TBODY>
              <TR align=right>
                <TD><IMG height=4 alt="" src="Posix线程编程指南(3).files/c.gif" 
                  width="100%"><BR>
                  <TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=0>
                    <TBODY>
                    <TR>