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2008年(17)

2007年(65)

分类: LINUX

2008-05-08 10:32:21

容:

一、 线程创建
二、线程取消
关于作者




线程创建与取消
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第一篇将向您讲述线程的创建与取消。
一、 线程创建

1.1 线程与进程
相对进程而言,线程是一个更加接近于执行体的概念,它可以与同进程中的其他线程共享数据,但拥有自己的栈空间,拥有独立的执行序列。在串行程序基础上引入线程和进程是为了提高程序的并发度,从而提高程序运行效率和响应时间。

线程和进程在使用上各有优缺点:线程执行开销小,但不利于资源的管理和保护;而进程正相反。同时,线程适合于在SMP机器上运行,而进程则可以跨机器迁移。

1.2 创建线程
POSIX通过pthread_create()函数创建线程,API定义如下:
int pthread_create(pthread_t * thread, pthread_attr_t * attr,
void * (*start_routine)(void *), void * arg)


与fork()调用创建一个进程的方法不同,pthread_create()创建的线程并不具备与主线程(即调用pthread_create ()的线程)同样的执行序列,而是使其运行start_routine(arg)函数。thread返回创建的线程ID,而attr是创建线程时设置的线 程属性(见下)。pthread_create()的返回值表示线程创建是否成功。尽管arg是void *类型的变量,但它同样可以作为任意类型的参数传给start_routine()函数;同时,start_routine()可以返回一个void *类型的返回值,而这个返回值也可以是其他类型,并由pthread_join()获取。

1.3 线程创建属性
pthread_create()中的attr参数是一个结构指针,结构中的元素分别对应着新线程的运行属性,主要包括以下几项:

__detachstate,表示新线程是否与进程中其他线程脱离同步,如果置位则新线程不能用pthread_join()来同步,且在退出时 自行释放所占用的资源。缺省为PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。这个属性也可以在线程创建并运行以后用pthread_detach ()来设置,而一旦设置为PTHREAD_CREATE_DETACH状态(不论是创建时设置还是运行时设置)则不能再恢复到 PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。

__schedpolicy,表示新线程的调度策略,主要包括SCHED_OTHER(正常、非实时)、SCHED_RR(实时、轮转法)和 SCHED_FIFO(实时、先入先出)三种,缺省为SCHED_OTHER,后两种调度策略仅对超级用户有效。运行时可以用过 pthread_setschedparam()来改变。

__schedparam,一个struct sched_param结构,目前仅有一个sched_priority整型变量表示线程的运行优先级。这个参数仅当调度策略为实时(即SCHED_RR 或SCHED_FIFO)时才有效,并可以在运行时通过pthread_setschedparam()函数来改变,缺省为0。

__inheritsched,有两种值可供选择:PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和 PTHREAD_INHERIT_SCHED,前者表示新线程使用显式指定调度策略和调度参数(即attr中的值),而后者表示继承调用者线程的值。缺省 为PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope,表示线程间竞争CPU的范围,也就是说线程优先级的有效范围。POSIX的标准中定义了两个值: PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS,前者表示与系统中所有线程一起竞争CPU时间,后者表示仅与同 进程中的线程竞争CPU。目前LinuxThreads仅实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t结构中还有一些值,但不使用pthread_create()来设置。

为了设置这些属性,POSIX定义了一系列属性设置函数,包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和与各个属性相关的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函数。

1.4 线程创建的Linux实现
我们知道,Linux的线程实现是在核外进行的,核内提供的是创建进程的接口do_fork()。内核提供了两个系统调用__clone()和 fork(),最终都用不同的参数调用do_fork()核内API。当然,要想实现线程,没有核心对多进程(其实是轻量级进程)共享数据段的支持是不行 的,因此,do_fork()提供了很多参数,包括CLONE_VM(共享内存空间)、CLONE_FS(共享文件系统信息)、CLONE_FILES (共享文件描述符表)、CLONE_SIGHAND(共享信号句柄表)和CLONE_PID(共享进程ID,仅对核内进程,即0号进程有效)。当使用 fork系统调用时,内核调用do_fork()不使用任何共享属性,进程拥有独立的运行环境,而使用pthread_create()来创建线程时,则 最终设置了所有这些属性来调用__clone(),而这些参数又全部传给核内的do_fork(),从而创建的"进程"拥有共享的运行环境,只有栈是独立 的,由__clone()传入。

Linux线程在核内是以轻量级进程的形式存在的,拥有独立的进程表项,而所有的创建、同步、删除等操作都在核外pthread库中进行。 pthread库使用一个管理线程(__pthread_manager(),每个进程独立且唯一)来管理线程的创建和终止,为线程分配线程ID,发送线 程相关的信号(比如Cancel),而主线程(pthread_create())的调用者则通过管道将请求信息传给管理线程。

二、线程取消

2.1 线程取消的定义
一般情况下,线程在其主体函数退出的时候会自动终止,但同时也可以因为接收到另一个线程发来的终止(取消)请求而强制终止。

2.2 线程取消的语义
线程取消的方法是向目标线程发Cancel信号,但如何处理Cancel信号则由目标线程自己决定,或者忽略、或者立即终止、或者继续运行至Cancelation-point(取消点),由不同的Cancelation状态决定。

线程接收到CANCEL信号的缺省处理(即pthread_create()创建线程的缺省状态)是继续运行至取消点,也就是说设置一个CANCELED状态,线程继续运行,只有运行至Cancelation-point的时候才会退出。

2.3 取消点
根据POSIX标准,pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、 pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函数以及read()、write()等会引起阻塞的系 统调用都是Cancelation-point,而其他pthread函数都不会引起Cancelation动作。但是pthread_cancel的手 册页声称,由于LinuxThread库与C库结合得不好,因而目前C库函数都不是Cancelation-point;但CANCEL信号会使线程从阻 塞的系统调用中退出,并置EINTR错误码,因此可以在需要作为Cancelation-point的系统调用前后调用 pthread_testcancel(),从而达到POSIX标准所要求的目标,即如下代码段:
pthread_testcancel();
retcode = read(fd, buffer, length);
pthread_testcancel();



2.4 程序设计方面的考虑
如果线程处于无限循环中,且循环体内没有执行至取消点的必然路径,则线程无法由外部其他线程的取消请求而终止。因此在这样的循环体的必经路径上应该加入pthread_testcancel()调用。

2.5 与线程取消相关的pthread函数
int pthread_cancel(pthread_t thread)
发送终止信号给thread线程,如果成功则返回0,否则为非0值。发送成功并不意味着thread会终止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
设置本线程对Cancel信号的反应,state有两种值:PTHREAD_CANCEL_ENABLE(缺省)和 PTHREAD_CANCEL_DISABLE,分别表示收到信号后设为CANCLED状态和忽略CANCEL信号继续运行;old_state如果不为 NULL则存入原来的Cancel状态以便恢复。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
设置本线程取消动作的执行时机,type由两种取值:PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和 PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS,仅当Cancel状态为Enable时有效,分别表示收到信号后继续运行至下一个取消点再退出和 立即执行取消动作(退出);oldtype如果不为NULL则存入运来的取消动作类型值。

void pthread_testcancel(void)
检查本线程是否处于Canceld状态,如果是,则进行取消动作,否则直接返回。
posix线程编程指南(2)



内容:

一. 概念及作用
二. 创建和注销
三. 访问
四. 使用范例
关于作者


相关内容:

(1) 线程创建与取消




线程私有数据
杨沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第二篇将向您讲述线程的私有数据。
一. 概念及作用
在单线程程序中,我们经常要用到"全局变量"以实现多个函数间共享数据。在多线程环境下,由于数据空间是共享的,因此全局变量也为所有线程所共 有。但有时应用程序设计中有必要提供线程私有的全局变量,仅在某个线程中有效,但却可以跨多个函数访问,比如程序可能需要每个线程维护一个链表,而使用相 同的函数操作,最简单的办法就是使用同名而不同变量地址的线程相关数据结构。这样的数据结构可以由Posix线程库维护,称为线程私有数据(Thread -specific Data,或TSD)。

二. 创建和注销
Posix定义了两个API分别用来创建和注销TSD:

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

该函数从TSD池中分配一项,将其值赋给key供以后访问使用。如果destr_function不为空,在线程退出(pthread_exit())时将以key所关联的数据为参数调用destr_function(),以释放分配的缓冲区。

不论哪个线程调用pthread_key_create(),所创建的key都是所有线程可访问的,但各个线程可根据自己的需要往key中填入不同的值,这就相当于提供了一个同名而不同值的全局变量。在LinuxThreads的实现中,TSD池用一个结构数组表示:

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

创建一个TSD就相当于将结构数组中的某一项设置为"in_use",并将其索引返回给*key,然后设置destructor函数为destr_function。

注销一个TSD采用如下API:

int pthread_key_delete(pthread_key_t key)

这个函数并不检查当前是否有线程正使用该TSD,也不会调用清理函数(destr_function),而只是将TSD释放以供下一次调用 pthread_key_create()使用。在LinuxThreads中,它还会将与之相关的线程数据项设为NULL(见"访问")。

三. 访问
TSD的读写都通过专门的Posix Thread函数进行,其API定义如下:
int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *pointer)
void * pthread_getspecific(pthread_key_t key)




写入(pthread_setspecific())时,将pointer的值(不是所指的内容)与key相关联,而相应的读出函数则将与key相关联的数据读出来。数据类型都设为void *,因此可以指向任何类型的数据。

在LinuxThreads中,使用了一个位于线程描述结构(_pthread_descr_struct)中的二维void *指针数组来存放与key关联的数据,数组大小由以下几个宏来说明: #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中定义了PTHREAD_KEYS_MAX为1024,因此一维数组大小为32。而具体存放的位置由key值经过以下计算得到:
idx1st = key / PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE
idx2nd = key % PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE



也就是说,数据存放与一个32×32的稀疏矩阵中。同样,访问的时候也由key值经过类似计算得到数据所在位置索引,再取出其中内容返回。

四. 使用范例
以下这个例子没有什么实际意义,只是说明如何使用,以及能够使用这一机制达到存储线程私有数据的目的。
#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;
}



给例程创建两个线程分别设置同一个线程私有数据为自己的线程ID,为了检验其私有性,程序错开了两个线程私有数据的写入和读出的时间,从程序运行结果可以看出,两个线程对TSD的修改互不干扰。同时,当线程退出时,清理函数会自动执行,参数为tid。

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