Chinaunix首页 | 论坛 | 博客
  • 博客访问: 280511
  • 博文数量: 68
  • 博客积分: 352
  • 博客等级: 入伍新兵
  • 技术积分: 296
  • 用 户 组: 普通用户
  • 注册时间: 2011-06-16 15:41
文章分类
文章存档

2021年(1)

2020年(2)

2017年(4)

2016年(3)

2015年(1)

2013年(1)

2012年(21)

2011年(35)

分类:

2011-12-19 17:00:10

原文地址:Linux Pthread 深入解析 作者:deepsky24

Outline 

- 1.线程特点

- 2.pthread创建

- 3.pthread终止

        - 4.mutex互斥量使用框架

        - 5.cond条件变量

        - 6.综合实例

================================================================================================
1. 线程特点
线程拥有自己独立的栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字(创建时继承)、errno变量以及线程私有数据。进程的其他地址空间均被所有线程所共享,因此线程可以访问程序的全局变量和堆中分配的数据,并通过同步机制保证对数据访问的一致性。

2. pthread创建
pthread有一个线程ID,类型为pthread_t,在使用printf打印时,应转换为u类型。
pthread_equal可用于比较两个id是否相等;pthread_self用于获取当前线程的ID。
pthread_create用于创建新的线程,可以给线程传入一个void *类型的参数,例如一个结构体指针或者一个数值。
系统并不能保证哪个线程会现运行:新创建的线程还是调用线程。

3. pthread终止
a) 从线程函数中返回
b) 被同一进程中的其他线程取消
c) 线程调用pthread_exit
注意,线程的返回值需要转换为void *类型。

pthread_exit(void *ret)
pthread_join(pthread_t id, void **ret)

ret均可设置为NULL

4.  mutex 互斥量使用框架
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER(仅可用在静态变量)
pthread_mutex_lock / pthread_mutex_unlock / pthread_mutex_trylock
pthread_mutex_destroy

5. cond 条件变量
pthread_cond_t qready;
pthread_mutex_t qlock;
pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
pthread_cond_init 或者 PTHREAD_COND_INITIALIZER
pthread_mutex_lock(&qlock...)
pthread_cond_wait(&qready, &qlock...) / pthread_cond_timewait
pthread_mutex_unlock(&qlock)
pthread_cond_destroy

//唤醒条件变量
pthread_cond_signal
pthread_cond_broadcast

条件变量是pthread中比较难以理解的一点,主要会产生以下疑惑:
Q1. 假如在调用pthread_{cond_wait | cond_timedwait}之前就调用pthread_cond_{signal | broadcast}会发生什么?

Q2. pthread_cond_{cond_wait | cond_timewait}为什么需要一个已经锁住的mutex作为变量?

Q3. pthread_cond_{signal | broadcast}使用之前必须获取wait中对应的mutex吗?

Q4. 假如pthread_cond_{signal | broadcast}必须获取mutex,那么下列两种形式,哪种正确?为什么?

 1)
 lock(lock_for_X);
 change(X);
 unlock(lock_for_X);
 pthread_cond_{signal | broadcast};

 2)
 lock(lock_for_X);
 change(X);
 pthread_cond_{signal | broadcast};
 unlock(lock_for_X);

----思考-------思考-------思考-------思考------思考-------思考------思考------思考-------思考-------

A1: 什么都不会发生,也不会出错,仅仅造成这次发送的signal丢失。

A2: 一般场景如下,我们需要检查某个条件是否满足(如队列X是否为空、布尔Y是否为真),假如没有条件变量,我们唯一的选择是

  1. while (1) {
  2.   lock(lock_for_X);

  3.   if (X is not empty) {
  4.     unlock(lock_for_X);
  5.     break;
  6.   } else { //X is empty, loop continues
  7.     unlock(lock_for_X);
  8.     sleep(10);
  9.   }
  10. }
  11. //X is not empty, loop ends
  12. process(X);

明显这种轮询的方式非常耗费CPU时间,这时候我们很容易的想到,如果有一种机制,可以异步通知我们队列的状态发生了变化,那么我们便无须再轮询,只要等到通知到来时再检查条件是否满足即可,其他时间则将程序休眠,因此现在代码变成这样:

  1. while (1) {
  2.   lock(lock_for_X);
  3.   if (X is not empty) {
  4.     unlock(lock_for_X);
  5.     break;
  6.   } else {
  7.     unlock(lock_for_X); //must called before my_wait(), otherwise no one can acquire the lock and make change to X
  8.     -------------------------------------->窗口,由于已经解锁,其他程序可能改变X,并且试图唤醒mywait,但在一个繁忙的系统中,可能此时my_还没被调用!
  9.     my_wait(); //go to sleep and wait for the notification
  10.   }
  11. }

my_wait是一个假想的函数,作用如注释所示。
不难发现,这样做以后,我们无须再轮询了,只需要等待my_wait()被唤醒以后检查条件是否满足。
但是请注意,正如图中所示,存在1个时间窗口。若其他程序在这个窗口中试图唤醒my_wait,由于此时my_wait还没有被调用,那么这个信号将丢失,造成my_wait一直阻塞。解决的办法就是,要将unlock和my_wait合并成一个原子操作,这样就不会被其他程序插入执行。我想到这里,你应该已经明白了,这个原子操作的函数就是pthread_cond_{signal | broadcast}.

A3: 是的。
详见:

A4: 对于1),在不同的操作系统中,可能会造成不确定的调度结果(可能会造成调度优先级反转);对于2)可以保证无论在何种操作系统中都将获得预期的调度顺序。

设想一个场景:有两个消费者线程A和B,我们设定A的优先级比B高,A正在等待条件变量被出发,即已经调用了pthread_wait,并且处于阻塞状态:

  1. lock(lock_for_X);
  2. while (X is empty) {
  3.   pthread_cond_wait(&qready, &lock_for_X);
  4. }
  5. unlock(lock_for_X);

B中没有调用pthread_wait,而是做类似如下的处理:

  1. while(1) {
  2.   lock(lock_for_X);
  3.   dequeue(X);
  4.   unlock(lock_for_X);
  5. }
另一个线程C,为生产者,采用1)方案,则代码如下,先unlock,再发出signal:

 lock(lock_for_X);
 change(X);
 unlock(lock_for_X);
 pthread_cond_{signal | broadcast};

当发出unlock以后,发送signal之前,此时消费者B已经满足了运行条件,而消费者A虽然优先级比B高,但是由于其运行条件还需要signal,所以不具备立刻运行的条件,此时就看操作系统如何实现调度算法了。有些操作系统,可能会因为A不具备立刻运行条件,即使它的优先级比B高,此时还是让B线程先运行,那么,后续将分成两种情况:

(a) B获得了lock,但是还没有将X队列中的刚刚加入的条目移除,此时C调用了signal,A接收到了signal,由于A的优先级高,那么A抢占B,A从函数pthread_cond_wait返回之前需要再次将lock上锁,但是A抢占后发现,lock被人锁住了(还没有被B释放),只好再次休眠,等待锁被释放,结果B又被唤醒,也可能因此造成A和B的死锁,这个具体要看操作系统的调度算法。

(b) B获得了lock,并且执行了dequeue,然后释放了锁。此时C调用了signal,A接收到了signal,由于A的优先级高,那么A抢占B,A这次顺利的获取了锁得以从pthread_cond_wait中返回,但是在检查条件时,却发现队列是空的,于是乎再次进入pthread_cond_wait休眠。结果A又无法被执行,A可能由此进入饥饿状态。

但是如果C采用2)方案:

 lock(lock_for_X);
 change(X);
 pthread_cond_{signal | broadcast};
 unlock(lock_for_X);

在unlock以后,A、B都具备了立即运行的条件,由于A比B的优先级高,因此操作系统必定会先调度A执行,就避免了前面一种不确定的调度结果。

主要参考:

6. 综合实例
  1. /*
  2.  * =====================================================================================
  3.  *
  4.  * Filename: pthread.c
  5.  *
  6.  * Description:
  7.  *
  8.  * Version: 1.0
  9.  * Created: 08/17/11 11:06:35
  10.  * Revision: none
  11.  * Compiler: gcc
  12.  *
  13.  * Author: YOUR NAME (),
  14.  * Company:
  15.  *
  16.  * =====================================================================================
  17.  */
  18. #include <stdio.h>
  19. #include <pthread.h>
  20. #include <error.h>
  21. #include <stdlib.h>
  22. #include <unistd.h>
  23. #include <string.h>

  24. pthread_cond_t qready;
  25. pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

  26. struct foo {
  27.     int cnt;
  28.     pthread_mutex_t f_lock;
  29. };

  30. void cleanup(void *arg)
  31. {
  32.     printf("clean up: %s\n", (char *)arg);
  33. }

  34. void printids(char *str)
  35. {
  36.     printf("%s pid = %u tid = %u / 0x%x\n",
  37.             str, (unsigned int)getpid(), (unsigned int)pthread_self(), (unsigned int)pthread_self());
  38. }

  39. void *thread1(void *arg)
  40. {
  41.     pthread_mutex_lock(&qlock);
  42.     pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
  43.     pthread_mutex_unlock(&qlock);

  44.     printids("thread1:");
  45.     
  46.     pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 first cleanup handler");
  47.     pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 second cleanup handler");
  48.     printf("thread 1 push complete!\n");
  49.     
  50.     pthread_mutex_lock(&((struct foo *)arg)->f_lock);
  51.     ((struct foo *)arg)->cnt ;
  52.     printf("thread1: cnt = %d\n", ((struct foo *)arg)->cnt);
  53.     pthread_mutex_unlock(&((struct foo *)arg)->f_lock);

  54.     if (arg)
  55.         return ((void *)0);
  56.     
  57.     pthread_cleanup_pop(0);
  58.     pthread_cleanup_pop(0);

  59.     pthread_exit((void *)1);
  60. }

  61. void *thread2(void *arg)
  62. {
  63.     int exit_code = -1;
  64.     printids("thread2:");
  65.     
  66.     printf("Now unlock thread1\n");

  67.     pthread_mutex_lock(&qlock);
  68.     pthread_mutex_unlock(&qlock);
  69.     pthread_cond_signal(&qready);

  70.     printf("Thread1 unlocked\n");

  71.     pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 first cleanup handler");
  72.     pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 second cleanup handler");
  73.     printf("thread 2 push complete!\n");
  74.     
  75.     if (arg)
  76.         pthread_exit((void *)exit_code);

  77.     pthread_cleanup_pop(0);
  78.     pthread_cleanup_pop(0);
  79.     
  80.     pthread_exit((void *)exit_code);
  81. }

  82. int main(int argc, char *argv[])
  83. {
  84.     int ret;
  85.     pthread_t tid1, tid2;
  86.     void *retval;
  87.     struct foo *fp;

  88.     ret = pthread_cond_init(&qready, NULL);
  89.     if (ret != 0) {
  90.         printf("pthread_cond_init error: %s\n", strerror(ret));
  91.         return -1;
  92.     }



  93.     if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) == NULL) {
  94.         printf("malloc failed!\n");
  95.         return -1;
  96.     }

  97.     if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != 0) {
  98.         free(fp);
  99.         printf("init mutex failed!\n");
  100.     }

  101.     pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);

  102.     ret = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, (void *)fp);
  103.     if (ret != 0) {
  104.         printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));
  105.         return -1;
  106.     }
  107.     ret = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, (void *)1);
  108.     if (ret != 0) {
  109.         printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));
  110.         return -1;
  111.     }

  112.     
  113.     ret = pthread_join(tid2, &retval);
  114.     if (ret != 0) {
  115.         printf("pthread join falied!\n");
  116.         return -1;
  117.     }
  118.     else
  119.         printf("thread2 exit code %d\n", (int)retval);

  120.     fp->cnt = 1;
  121.     printf("main thread: cnt = %d\n",fp->cnt);

  122.     pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);

  123.     sleep(1);    //there is no guarantee the main thread will run before the newly created thread, so we wait for a while
  124.     printids("main thread:");

  125.     printf("Press to exit\n");

  126.     ret = pthread_cond_destroy(&qready);
  127.     if (ret != 0) {
  128.         printf("pthread_cond_destroy error: %s\n", strerror(ret));
  129.         return -1;
  130.     }

  131.     getchar();
  132.     return 0;
  133. }





阅读(1802) | 评论(0) | 转发(0) |
给主人留下些什么吧!~~