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9.2 Linux線程編程 9.2.1 線程基本編程 這里要講的線程相關(guān)操作都是用戶空間中的線程的操作。在Linux中，一般pthread線程庫(kù)是一套通用的線程庫(kù)，是由POSIX提出的，因此具有很好的可移植性。 (1)函數(shù)說明。 創(chuàng)建線程實(shí)際上就是確定調(diào)用該線程函數(shù)的入口點(diǎn)，這里通常使用的函數(shù)是pthread_create()。在線程創(chuàng)建以后，就開始運(yùn)行相關(guān)的線程函數(shù)，在該函數(shù)運(yùn)行完之后，該線程也就退出了，這也是線程退出一種方法。另一種退出線程的方法是使用函數(shù)pthread_exit()，這是線程的主動(dòng)行為。這里要注意的是，在使用線程函數(shù)時(shí)，不能隨意使用exit()退出函數(shù)進(jìn)行出錯(cuò)處理，由于exit()的作用是使調(diào)用進(jìn)程終止，往往一個(gè)進(jìn)程包含多個(gè)線程，因此，在使用exit()之后，該進(jìn)程中的所有線程都終止了。因此，在線程中就可以使用pthread_exit()來代替進(jìn)程中的exit()。 由于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程是共享數(shù)據(jù)段的，因此通常在線程退出之后，退出線程所占用的資源并不會(huì)隨著線程的終止而得到釋放。正如進(jìn)程之間可以用wait()系統(tǒng)調(diào)用來同步終止并釋放資源一樣，線程之間也有類似機(jī)制，那就是pthread_join()函數(shù)。pthread_join()可以用于將當(dāng)前線程掛起來等待線程的結(jié)束。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，被等待線程的資源就被收回。 前面已提到線程調(diào)用pthread_exit()函數(shù)主動(dòng)終止自身線程。但是在很多線程應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到在別的線程中要終止另一個(gè)線程的執(zhí)行的問題。此時(shí)調(diào)用pthread_cancel()函數(shù)實(shí)現(xiàn)這種功能，但在被取消的線程的內(nèi)部需要調(diào)用pthread_setcancel()函數(shù)和pthread_setcanceltype()函數(shù)設(shè)置自己的取消狀態(tài)，例如被取消的線程接收到另一個(gè)線程的取消請(qǐng)求之后，是接受還是忽略這個(gè)請(qǐng)求;如果接受，是立刻進(jìn)行終止操作還是等待某個(gè)函數(shù)的調(diào)用等。 (2)函數(shù)格式。 表9.1列出了pthread_create()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.2列出了pthread_exit()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.3列出了pthread_join()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.4列出了pthread_cancel()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 (3)函數(shù)使用。 以下實(shí)例中創(chuàng)建了3個(gè)線程，為了更好地描述線程之間的并行執(zhí)行，讓3個(gè)線程重用同一個(gè)執(zhí)行函數(shù)。每個(gè)線程都有5次循環(huán)(可以看成5個(gè)小任務(wù))，每次循環(huán)之間會(huì)隨機(jī)等待1～10s的時(shí)間，意義在于模擬每個(gè)任務(wù)的到達(dá)時(shí)間是隨機(jī)的，并沒有任何特定規(guī)律。 /* thread.c */ #include #include #include #define THREAD_NUMBER 3 /*線程數(shù)*/ #define REPEAT_NUMBER 5 /*每個(gè)線程中的小任務(wù)數(shù)*/ #define DELAY_TIME_LEVELS 10.0 /*小任務(wù)之間的最大時(shí)間間隔*/ void *thrd_func(void *arg) { /* 線程函數(shù)例程 */ int thrd_num = (int)arg; int delay_time = 0; int count = 0; printf("Thread %d is starting\n", thrd_num); for (count = 0; count 多線程 */ res = pthread_create(&thread[no], NULL, thrd_func, (void*)no); if (res != 0) { printf("Create thread %d failed\n", no); exit(res); } } printf("Create treads success\n Waiting for threads to finish...\n"); for (no = 0; no 互斥 由于線程共享進(jìn)程的資源和地址空間，因此在對(duì)這些資源進(jìn)行操作時(shí)，必須考慮到線程間資源訪問的同步與互斥問題。這里主要介紹POSIX中兩種線程同步機(jī)制，分別為互斥鎖和信號(hào)量。這兩個(gè)同步機(jī)制可以互相通過調(diào)用對(duì)方來實(shí)現(xiàn)，但互斥鎖更適合用于同時(shí)可用的資源是惟一的情況;信號(hào)量更適合用于同時(shí)可用的資源為多個(gè)的情況。 1.互斥鎖線程控制 (1)函數(shù)說明。 互斥鎖是用一種簡(jiǎn)單的加鎖方法來控制對(duì)共享資源的原子操作。這個(gè)互斥鎖只有兩種狀態(tài)，也就是上鎖和解鎖，可以把互斥鎖看作某種意義上的全局變量。在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程掌握某個(gè)互斥鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線程能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行操作。若其他線程希望上鎖一個(gè)已經(jīng)被上鎖的互斥鎖，則該線程就會(huì)掛起，直到上鎖的線程釋放掉互斥鎖為止。可以說，這把互斥鎖保證讓每個(gè)線程對(duì)共享資源按順序進(jìn)行原子操作。 互斥鎖機(jī)制主要包括下面的基本函數(shù)。 n 互斥鎖初始化：pthread_mutex_init() n 互斥鎖上鎖：pthread_mutex_lock() n 互斥鎖判斷上鎖：pthread_mutex_trylock() n 互斥鎖接鎖：pthread_mutex_unlock() n 消除互斥鎖：pthread_mutex_destroy() 其中，互斥鎖可以分為快速互斥鎖、遞歸互斥鎖和檢錯(cuò)互斥鎖。這3種鎖的區(qū)別主要在于其他未占有互斥鎖的線程在希望得到互斥鎖時(shí)是否需要阻塞等待。快速鎖是指調(diào)用線程會(huì)阻塞直至擁有互斥鎖的線程解鎖為止。遞歸互斥鎖能夠成功地返回，并且增加調(diào)用線程在互斥上加鎖的次數(shù)，而檢錯(cuò)互斥鎖則為快速互斥鎖的非阻塞版本，它會(huì)立即返回并返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。默認(rèn)屬性為快速互斥鎖。 (2)函數(shù)格式。 表9.5列出了pthread_mutex_init()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.6列出了pthread_mutex_lock()等函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 (3)使用實(shí)例。 下面的實(shí)例是在9.2.1小節(jié)示例代碼的基礎(chǔ)上增加互斥鎖功能，實(shí)現(xiàn)原本獨(dú)立與無序的多個(gè)線程能夠按順序執(zhí)行。 /*thread_mutex.c*/ #include #include #include #define THREAD_NUMBER 3 /* 線程數(shù) */ #define REPEAT_NUMBER 3 /* 每個(gè)線程的小任務(wù)數(shù) */ #define DELAY_TIME_LEVELS 10.0 /*小任務(wù)之間的最大時(shí)間間隔*/ pthread_mutex_t mutex; void *thrd_func(void *arg) { int thrd_num = (int)arg; int delay_time = 0, count = 0; int res; /* 互斥鎖上鎖 */ res = pthread_mutex_lock(&mutex); if (res) { printf("Thread %d lock failed\n", thrd_num); pthread_exit(NULL); } printf("Thread %d is starting\n", thrd_num); for (count = 0; count 互斥。信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它被用來控制對(duì)公共資源的訪問。這里先來簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下PV原子操作的工作原理。 PV原子操作是對(duì)整數(shù)計(jì)數(shù)器信號(hào)量sem的操作。一次P操作使sem減一，而一次V操作使sem加一。進(jìn)程(或線程)根據(jù)信號(hào)量的值來判斷是否對(duì)公共資源具有訪問權(quán)限。當(dāng)信號(hào)量sem的值大于等于零時(shí)，該進(jìn)程(或線程)具有公共資源的訪問權(quán)限;相反，當(dāng)信號(hào)量sem的值小于零時(shí)，該進(jìn)程(或線程)就將阻塞直到信號(hào)量sem的值大于等于0為止。 PV原子操作主要用于進(jìn)程或線程間的同步和互斥這兩種典型情況。若用于互斥，幾個(gè)進(jìn)程(或線程)往往只設(shè)置一個(gè)信號(hào)量sem，它們的操作流程如圖9.2所示。 當(dāng)信號(hào)量用于同步操作時(shí)，往往會(huì)設(shè)置多個(gè)信號(hào)量，并安排不同的初始值來實(shí)現(xiàn)它們之間的順序執(zhí)行，它們的操作流程如圖9.3所示。 圖9.2 信號(hào)量互斥操作 圖9.3 信號(hào)量同步操作 (2)函數(shù)說明。 Linux實(shí)現(xiàn)了POSIX的無名信號(hào)量，主要用于線程間的互斥與同步。這里主要介紹幾個(gè)常見函數(shù)。 n sem_init()用于創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，并初始化它的值。 n sem_wait()和sem_trywait()都相當(dāng)于P操作，在信號(hào)量大于零時(shí)它們都能將信號(hào)量的值減一，兩者的區(qū)別在于若信號(hào)量小于零時(shí)，sem_wait()將會(huì)阻塞進(jìn)程，而sem_trywait()則會(huì)立即返回。 n sem_post()相當(dāng)于V操作，它將信號(hào)量的值加一同時(shí)發(fā)出信號(hào)來喚醒等待的進(jìn)程。 n sem_getvalue()用于得到信號(hào)量的值。 n sem_destroy()用于刪除信號(hào)量。 (3)函數(shù)格式。 表9.7列出了sem_init()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.8列出了sem_wait()等函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 (4)使用實(shí)例。 在前面已經(jīng)通過互斥鎖同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多線程的順序執(zhí)行。下面的例子是用信號(hào)量同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)3個(gè)線程之間的有序執(zhí)行，只是執(zhí)行順序是跟創(chuàng)建線程的順序相反。 /*thread_sem.c*/ #include #include #include #include #define THREAD_NUMBER 3 /* 線程數(shù) */ #define REPEAT_NUMBER 3 /* 每個(gè)線程中的小任務(wù)數(shù) */ #define DELAY_TIME_LEVELS 10.0 /*小任務(wù)之間的最大時(shí)間間隔*/ sem_t sem[THREAD_NUMBER]; void *thrd_func(void *arg) { int thrd_num = (int)arg; int delay_time = 0; int count = 0; /* 進(jìn)行P操作 */ sem_wait(&sem[thrd_num]); printf("Thread %d is starting\n", thrd_num); for (count = 0; count = 0; no--) { res = pthread_join(thread[no], &thrd_ret); if (!res) { printf("Thread %d joined\n", no); } else { printf("Thread %d join failed\n", no); } /* 進(jìn)行V操作 */ sem_post(&sem[(no + THREAD_NUMBER - 1) % THREAD_NUMBER]); } for (no = 0; no Linux中采用“一對(duì)一”的線程機(jī)制，也就是一個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程。綁定屬性就是指一個(gè)用戶線程固定地分配給一個(gè)內(nèi)核線程，因?yàn)镃PU時(shí)間片的調(diào)度是面向內(nèi)核線程(也就是輕量級(jí)進(jìn)程)的，因此具有綁定屬性的線程可以保證在需要的時(shí)候總有一個(gè)內(nèi)核線程與之對(duì)應(yīng)。而與之對(duì)應(yīng)的非綁定屬性就是指用戶線程和內(nèi)核線程的關(guān)系不是始終固定的，而是由系統(tǒng)來控制分配的。 n 分離屬性。 分離屬性是用來決定一個(gè)線程以什么樣的方式來終止自己。在非分離情況下，當(dāng)一個(gè)線程結(jié)束時(shí)，它所占用的系統(tǒng)資源并沒有被釋放，也就是沒有真正的終止。只有當(dāng)pthread_join()函數(shù)返回時(shí)，創(chuàng)建的線程才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源。而在分離屬性情況下，一個(gè)線程結(jié)束時(shí)立即釋放它所占有的系統(tǒng)資源。這里要注意的一點(diǎn)是，如果設(shè)置一個(gè)線程的分離屬性，而這個(gè)線程運(yùn)行又非常快，那么它很可能在pthread_create()函數(shù)返回之前就終止了，它終止以后就可能將線程號(hào)和系統(tǒng)資源移交給其他的線程使用，這時(shí)調(diào)用pthread_create()的線程就得到了錯(cuò)誤的線程號(hào)。 這些屬性的設(shè)置都是通過特定的函數(shù)來完成的，通常首先調(diào)用pthread_attr_init()函數(shù)進(jìn)行初始化，之后再調(diào)用相應(yīng)的屬性設(shè)置函數(shù)，最后調(diào)用pthread_attr_destroy()函數(shù)對(duì)分配的屬性結(jié)構(gòu)指針進(jìn)行清理和回收。設(shè)置綁定屬性的函數(shù)為pthread_attr_setscope()，設(shè)置線程分離屬性的函數(shù)為pthread_attr_setdetachstate()，設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)的相關(guān)函數(shù)為pthread_attr_getschedparam()(獲取線程優(yōu)先級(jí))和pthread_attr_setschedparam()(設(shè)置線程優(yōu)先級(jí))。在設(shè)置完這些屬性后，就可以調(diào)用pthread_create()函數(shù)來創(chuàng)建線程了。 (2)函數(shù)格式。 表9.9列出了pthread_attr_init()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.10列出了pthread_attr_setscope()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.11列出了pthread_attr_setdetachstate()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 表9.12 pthread_attr_getschedparam()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn) 表9.13列出了pthread_attr_setschedparam()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。 (3)使用實(shí)例。 下面的實(shí)例是在我們已經(jīng)很熟悉的實(shí)例的基礎(chǔ)上增加線程屬性設(shè)置的功能。為了避免不必要的復(fù)雜性，這里就創(chuàng)建一個(gè)線程，這個(gè)線程具有綁定和分離屬性，而且主線程通過一個(gè)finish_flag標(biāo)志變量來獲得線程結(jié)束的消息，而并不調(diào)用pthread_join()函數(shù)。 /*thread_attr.c*/ #include #include #include #define REPEAT_NUMBER 3 /* 線程中的小任務(wù)數(shù) */ #define DELAY_TIME_LEVELS 10.0 /* 小任務(wù)之間的最大時(shí)間間隔 */ int finish_flag = 0; void *thrd_func(void *arg) { int delay_time = 0; int count = 0; printf("Thread is starting\n"); for (count = 0; count < REPEAT_NUMBER; count++) { delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1; sleep(delay_time); printf("\tThread : job %d delay = %d\n", count, delay_time); } printf("Thread finished\n"); finish_flag = 1; pthread_exit(NULL); } int main(void) { pthread_t thread; pthread_attr_t attr; int no = 0, res; void * thrd_ret; srand(time(NULL)); /* 初始化線程屬性對(duì)象 */ res = pthread_attr_init(&attr); if (res != 0) { printf("Create attribute failed\n"); exit(res); } /* 設(shè)置線程綁定屬性 */ res = pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM); /* 設(shè)置線程分離屬性 */ res += pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); if (res != 0) { printf("Setting attribute failed\n"); exit(res); } res = pthread_create(&thread, &attr, thrd_func, NULL); if (res != 0) { printf("Create thread failed\n"); exit(res); } /* 釋放線程屬性對(duì)象 */ pthread_attr_destroy(&attr); printf("Create tread success\n"); while(!finish_flag) { printf("Waiting for thread to finish...\n"); sleep(2); } return 0; } 接下來可以在線程運(yùn)行前后使用“free”命令查看內(nèi)存的使用情況。以下是運(yùn)行結(jié)果： $ ./thread_attr Create tread success Waiting for thread to finish... Thread is starting Waiting for thread to finish... Thread : job 0 delay = 3 Waiting for thread to finish... Thread : job 1 delay = 2 Waiting for thread to finish... Waiting for thread to finish... Waiting for thread to finish... Waiting for thread to finish... Thread : job 2 delay = 9 Thread finished /* 程序運(yùn)行之前 */ $ free total used free shared buffers cached Mem: 255556 191940 63616 10 5864 61360 -/+ buffers/cache: 124716 130840 Swap: 377488 18352 359136 /* 程序運(yùn)行之中 */ $ free total used free shared buffers cached Mem: 255556 191948 63608 10 5888 61336 -/+ buffers/cache: 124724 130832 Swap: 377488 18352 359136 /* 程序運(yùn)行之后 */ $ free total used free shared buffers cached Mem: 255556 191940 63616 10 5904 61320 -/+ buffers/cache: 124716 130840 Swap: 377488 18352 359136 可以看到，線程在運(yùn)行結(jié)束后就收回了系統(tǒng)資源，并釋放內(nèi)存。 |
