POSIX pthread 简介

0750long | 2009-07-16 08:48:01 阅读：1827

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POSIX pthread 简介

一概述

Pthread是一套通用的线程库, 它广泛的被各种Unix所支持, 是由POSIX提出的. 因此, 它具有很好的可移植性.

例1:

/**//* ------ test.c ------- */

#include <pthread.h>

void *pp(void *arg)

{

while (1)

{

printf("%s\n", (char *)arg);

sleep(2);

}

return NULL;

}

main()

{

pthread_t pid;

pthread_create(&pid, NULL, pp, "hello world");

while (1)

{

printf("I am main thread\n");

sleep(1);

}

执行：
    gcc test.c -lpthread
    ./a.out

输出：
    I am main thread
    hello world
    I am main thread
    hello world
    ............

二返回值

    也应该看到了, 每一个线程的返回值是void *.
    有两种方法返回:
        1 return pointer;
        2 pthread_exit(pointer);
    这两种方法是一样的.

    那么, 其他的线程是如何得到这个返回值的呢?
    用这个函数:
    int pthread_join(pthread_t TH, void **thread_RETURN);

    一个线程有两种状态, joinable 即系统保留线程的返回值, 直到有另外一个线程将它取走. detach系统不保留返回值.

    下面的函数用于detach:
    int pthread_detach (pthread_t TH);

    pthread_t pthread_self(); 可以返回自己的id. 通常, 我们用下列的语句来detach自己:
        pthread_detach(pthread_self());

三 Mutex

    Mutex用于解决互斥问题. 一个Mutex是一个互斥装置, 用于保护临界区和共享内存. 它有两种状态locked, unlocked. 它不能同时被两个线程所拥有.

    下面的函数用于处理Mutex:

    初始化一个Mutex
    int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *MUTEX, const pthread_mutexattr_t *MUTEXATTR);
    锁定一个Mutex
    int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex));
    试图锁定一个Mutex
    int pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *MUTEX);
    结锁一个Mutex
    int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *MUTEX);
    销毁一个Mutext
    int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *MUTEX);

    它的锁一共有三种: "fast", "recursive", or "error checking"
    进行lock操作时:
    如处于unlock状态, lock它, 即排斥占有。

    在被其他线程lock的时候,
    挂起当前线程, 直到被其他线程unlock

    在已经被自己lock的时候,
    "fast"                 挂起当前线程.
    "resursive"          成功并立刻返回当前被锁定的次数
    "error checking" 立刻返回EDEADLK

    进行unlock操作时:
    解锁.
    "fast"            唤醒第一个被锁定的线程
    "recursive"     减少lock数(这个数仅仅是被自己lock的, 不关其它线程的) 当lock数等于零的
                         时候, 才被unlock并唤醒第一个被锁定的线程.
    "error check" 会检查是不是自己lock的, 如果不是返回EPERM. 如果是唤醒第一个被锁定的线程,

    通常, 我们用一些静态变量来初始化mutex.
    "fast" `PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER'
    "recursive" `PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP'
    "error check" `PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP'

    注意: _NP 表示no portable不可移植

    例如:
        // "fast" type mutex
        pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
        ... ...
        pthread_mutext_lock(&mutex);
        fwrite(buffer, 1, strlen(buffer), file);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        ... ...

四 Condition Variable (条件变量)

    也是一种用于同步的device. 允许一个进程将自己挂起等待一个条件变量被改变状态.
    有下列几个函数:

    int pthread_cond_init (pthread_cond_t *COND,pthread_condattr_t *cond_ATTR);
    int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *COND);
    int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *COND);
    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);
    int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *COND);

    我想看看名字就可以知道它们的用途了. 通常我们也使用静态变量来初始化一个条件变量.
    Example:
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

    pthread_cond_signal 用于唤醒一个被锁定的线程.
    pthread_cond_broadcast 用于唤醒所有被锁定的线程.
    pthread_cond_wait 用于等待.

    为了解决竞争问题(即一个线程刚要去wait而另一个线程已经signal了), 它要与一个mutex连用.

    看一看下面的例子:

int x,y;

pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

//Waiting until X is greater than Y is performed as follows:

pthread_mutex_lock(&mut);

while (x <= y)

{

pthread_cond_wait(&cond, &mut);

}

/**//* operate on x and y */

pthread_mutex_unlock(&mut);

    pthread_cond_wait的执行过程如下:
    1. 首先, 它unlock the mutex, then 挂起当前的线程.
    2. 当被唤醒的时候, 它会lock the mutex.

    这样就保证了这是一个临界区.

五 Thread-Specific Data (TSD)

    说白了就是线程中使用的静态变量. 大家可以很容易的理解为什么使用静态变量函数不是线程安全的(也就是它们一定要很小心的在线程中使用).

    而使用静态变量又是很方便的, 这就产生了 thread-specific data. 可以把它理解为一个指针数组, 但对于每个线程来说是唯一的.

    Example:
        int func()
        {
            char *p;
            p = strdup(thread-specific-data[1]);
            ... ...
        }

        void *pthread-1(void *arg)
        {
            ... ...
            func()
            ... ...
        }

        void *pthread-2(void *arg)
        {
            ... ...
            func()
            ... ...
        }

    不同的线程调用func产生的结果是不同的. 这只是个例子.

    int pthread_key_create(pthread_key_t *KEY, void (*destr_function) (void *));
    int pthread_key_delete(pthread_key_t KEY);
    int pthread_setspecific(pthread_key_t KEY, const void *POINTER);
    void * pthread_getspecific(pthread_key_t KEY);

    TSD可以看成是一个void *的数组.
    注意: pthread_key_delete只是释放key占用的空间, 你仍然需要释放那个void *.

    为了加深你的理解, 看一看下面的例子吧:

/**//* Key for the thread-specific buffer */

static pthread_key_t buffer_key;

/**//* Once-only initialisation of the key */

static pthread_once_t buffer_key_once = PTHREAD_ONCE_INIT;

/**//* Allocate the thread-specific buffer */

void buffer_alloc(void)

{

pthread_once(&buffer_key_once, buffer_key_alloc);

pthread_setspecific(buffer_key, malloc(100));

}

/**//* Return the thread-specific buffer */

char * get_buffer(void)

{

return (char *) pthread_getspecific(buffer_key);

}

/**//* Allocate the key */

static void buffer_key_alloc()

{

pthread_key_create(&buffer_key, buffer_destroy);

}

/**//* Free the thread-specific buffer */

static void buffer_destroy(void * buf)

{

free(buf);

}

六. 信号处理

    在线程中的信号处理是这个样子, 所有的线程共享一组, 信号处理函数. 而每一个线程有自己的信号掩码.

    下面是用于处理线程信号的函数:
    int pthread_sigmask (int HOW, const sigset_t *NEWMASK, sigset_t *OLDMASK);
    int pthread_kill (pthread_t THREAD, int SIGNO);
    int sigwait (const sigset_t *SET, int *SIG);

    可以使用sigaction来安装信号处理函数.

    看一看下面的程序:
    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    void *pp(void *)
    {
        printf("ha ha");
        alarm(1);
    }
    void main_alarm(int i)
    {
        printf("Main got\n");
        alarm(3);
    }

    main()
    {
        pthread_t pid;
        struct sigaction aa;
        sigset_t sigt;

        sigfillset(&sigt);
        aa.sa_handler = mainalarm;
        aa.sa_mask = sigt;
        aa.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGALRM, &aa, NULL);

        pthread_create(&pid, NULL, pp, NULL);
        while(1);
        return 0;
    }

七. 放弃 (Cancellation)

    这是一种机制: 一个线程可以结束另一个线程. 精确的说, 一个线程可以向另一个线程发送 cancellation 请求. 另一个线程根据其设置, 可以忽略掉该请求, 也可以在到达一个cancellation点时, 来处理它。

    当一个线程处理一个cancellaction请求时, pthread_exit 一个一个的调用 cleanup handlers. 所谓的一个cancellation点是在这些地方, 线程会处理cancellation请求. POSIX中的函数: pthread_join，pthread_cond_wait，pthread_cond_timewait，pthread_testcancel，sem_wait，sigwait 都是cancellation点. 下面的这些系统函数也是cancellation点:
    accept open sendmsg
    close pause sendto
    connect read system
    fcntl recv tcdrain
    fsync recvfrom wait
    lseek recvmsg waitpid
    msync send write
    nanosleep

    其它的一些函数如果调用了上面的函数, 那么, 它们也是cancellation点.
    int pthread_setcancelstate (int STATE, int *OLDSTATE);
    用于允许或禁止处理cancellation,
    STATE可以是:PTHREAD_CANCEL_ENABLE PTHREAD_CANCEL_DISABLE

    int pthread_setcanceltype (int TYPE, int *OLDTYPE);
    设置如何处理cancellation, 异步的还是推迟的.
    TYPE可以是:PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS PTHREAD_CANCEL_DEFERRED
    void pthread_testcancel (VOID);

八. 清理函数 (Cleanup Handlers)

    这是一些函数, 它们会被pthread_exit按顺序调用. 它们以栈风格被管理.
    这种机制的目的是希望在退出前释放掉一些占用的资源.

    例如: 我们使用了一个MUTEX, 但希望在cancellation时能unlock它.

    pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, (void *)&mut);
    pthread_mutex_lock(&mut);
    /* do some work */
    pthread_mutex_unlock(&mut);
    pthread_cleanip_pop(0);

    注意:
        在异步处理过程中, 一个cancellation可以发生在pthread_cleaup_push 和pthread_mutex_lock之间. 这中情况是很糟糕的。所以，异步的cancellation 是很难用的。

    void pthread_cleanup_push (void (*ROUTINE) (void *), void *ARG);
    void pthread_cleanup_pop (int EXECUTE);

    如果EXECUTE不等于0, 则在出栈后，会被执行一次。

九. 信号量 (Semaphores)

    Semaphores是线程间共享的资源计数器。
    基本的信号量操作为: 原子的增加信号量, 原子的减少信号量, 等待直到信号量的值为非零。

    在POSIX中, 信号量有一个最大值, 宏SEM_VALUE_MAX定义了该值。在GNU的LIBC中, 该值等于INT_MAX (太大了)。

    下面是相关的函数:

    int sem_init (sem_t *SEM, int PSHARED, unsigned int VALUE);
    初始化一个信号量, 其值为VALUE, PSHARED指明它是不是共享的.
    0 表示local, 非0表示是全局的.

    int sem_destroy (sem_t * SEM);
    释放掉相关的资源.

    int sem_wait (sem_t * SEM);
    等待直到SEM的值为非零.

    int sem_trywait (sem_t * SEM);

    int sem_post (sem_t * SEM);
    将信号量加1.

    int sem_getvalue (sem_t * SEM, int * SVAL);
    取得信号量的值.

十 APIs

int

pthread_create(

pthread_t *tid , // 用于返回新创建线程的线程号.

const pthread_attr_t *attr ,

void*(*start_routine)(void*) , // start_routine 是线程函数指针，

// 线程从这个函数开始独立地运行。

void *arg // arg 是传递给线程函数的参数。

);

//由于start_routine 是一个指向参数类型为void*，返回值为void*的指针，

//所以如果需要传递或返回多个参数时，可以使用强制类型转化。

void

pthread_exit(

void* value_ptr

);

// 参数value_ptr 是一个指向返回状态值的指针。

int

pthread_join(

pthread_t tid ,

void **status

);

// 参数tid 是希望等待的线程的线程号，status 是指向线程返回值的

//指针，线程的返回值就是pthread_exit 中的value_ptr 参数，或者是return

//语句中的返回值。该函数可用于线程间的同步。

int

pthread_mutex_init(

pthread_mutex_t *mutex,

const pthread_mutex_attr_t* attr

);

// 该函数初始化一个互斥体变量，如果参数attr 为NULL，则互斥

//体变量mutex 使用默认的属性。

int

pthread_mutex_lock(

pthread_mutex_t *mutex

);

// 该函数用来锁住互斥体变量。如果参数mutex 所指的互斥体已经

// 被锁住了，那么发出调用的线程将被阻塞直到其他线程对mutex 解锁。

int

pthread_mutex_trylock(

pthread_t *mutex

);

// 该函数用来锁住mutex 所指定的互斥体，但不阻塞。如果该互斥

//体已经被上锁，该调用不会阻塞等待，而会返回一个错误代码。

int

pthread_mutex_unlock(

pthread_mutex_t *mutex

);

// 该函数用来对一个互斥体解锁。如果当前线程拥有参数mutex 所

// 指定的互斥体，该调用将该互斥体解锁。

int

pthread_mutex_destroy (

pthread_mutex_t *mutex

);

// 该函数用来释放分配给参数mutex 的资源。调用成功时返回值为

//0，否则返回一个非0 的错误代码。

int

pthread_cond_init(

pthread_cond_t *cond,

const pthread_cond_attr_t*attr

);

// 该函数按参数attr指定的属性创建一个条件变量。调用成功返回，

// 并将条件变量ID 赋值给参数cond，否则返回错误代码。

int

pthread_cond_wait (

pthread_cond_t *cond ,

pthread_mutex_t*mutex

);

// 该函数调用为参数mutex 指定的互斥体解锁，等待一个事件（由

// 参数cond 指定的条件变量）发生。调用该函数的线程被阻塞直到有其他

// 线程调用pthread_cond_signal 或pthread_cond_broadcast 函数置相应的条

// 件变量，而且获得mutex 互斥体时才解除阻塞。

int

pthread_cond_timewait(

pthread_cond_t *cond ,

pthread_mutex_t*mutex ,

const struct timespec *abstime

);

// 该函数与pthread_cond_wait 不同的是当系统时间到达abstime 参

// 数指定的时间时，被阻塞线程也可以被唤起继续执行。

int

pthread_cond_broadcast(

pthread_cond_t *cond

);

// 该函数用来对所有等待参数cond所指定的条件变量的线程解除阻

// 塞，调用成功返回0，否则返回错误代码。

int

pthread_cond_signal(

pthread_cond_t *cond

);

// 该函数的作用是解除一个等待参数cond所指定的条件变量的线程

// 的阻塞状态。当有多个线程挂起等待该条件变量，也只唤醒一个线程。

int

pthread_cond_destroy(

pthread_cond_t *cond

);

// 该函数的作用是释放一个条件变量。释放为条件变量cond 所分配的

// 资源。调用成功返回值为0，否则返回错误代码。

int

pthread_key_create(

pthread_key_t key ,

void(*destructor(void*))

);

// 该函数创建一个键值，该键值映射到一个专有数据结构体上。如

//果第二个参数不是NULL，这个键值被删除时将调用这个函数指针来释放

//数据空间。

int

pthread_key_delete(

pthread_key_t *key

);

// 该函数用于删除一个由pthread_key_create 函数调用创建的TSD

//键。调用成功返回值为0，否则返回错误代码。

int

pthread_setspecific(

pthread_key_t key ,

const void(value)

);

// 该函数设置一个线程专有数据的值，赋给由pthread_key_create 创

// 建的TSD键，调用成功返回值为0，否则返回错误代码。

void *

pthread_getspecific(

pthread_key_t *key

);

// 该函数获得绑定到指定TSD 键上的值。调用成功，返回给定参数

//key 所对应的数据。如果没有数据连接到该TSD 键，则返回NULL。

int

pthread_once(

pthread_once_t* once_control,

void(*init_routine)(void)

);

//该函数的作用是确保init_routine指向的函数，在调用pthread_once

//的线程中只被运行一次。once_control 指向一个静态或全局的变量。

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