APUE2读书笔记（11）

第十一章 线程

线程机制引入UNIX家族的时间相对比较晚，标准化后称为（以下简称线程），使用的库称为pthreads(7)。 它提供了在一个进程中并行地执行多个任务的机制。有助于将一个程序清晰的分解成多个不同的独立部分，例如用一个线程专门处理信号，用一个线程专门处理异步 事件，再用一个线程专门负责提供服务等等。同一个进程内的线程可以无限制的共享进程的数据资源。使用多线程也可以节省生成新进程时的系统开销，在一定程度 上改善响应时间。

另一方面，线程对进程资源无障碍的共享也带来了并发和同步的问题，而且只要任一线程异常退出就会导致整个进程的崩溃。线程安全编程将增加程序的复杂性，同时也更难于调试，往往容易成为bug丛生的地方。另外由于现代的UNIX-like系统（尤其是Linux）普遍采用了COW等减小进程生成开销的技术，使得很多时候线程的实现几乎已经没有作为“轻量级进程”的优势。而ESR在他的《The Art of UNIX Programming》一书中：“线程是那些进程生成昂贵、IPC功能薄弱的操作系统所特有的概念”，认为线程带来的好处与引入的麻烦相比得不偿失。

当然，这只是UNIX老炮的一家之见。SMP架构以及基于网络的应用程序设计依然一直是线程编程的传统领域，前人有多年积累的实践经验。《Programming with POSIX Threads》、《》以及《UNIX Network Programming Volume 2: Interprocess Communications》等都是经典的POSIX线程编程参考资料。另外Gentoo创始人Daniel Robbins写的这篇文章也是经典的POSIX线程开发的入门资料。

pthreads(7)库的实现采用类似面向对象的方式，线程对象、线程属性对象、线程同步原语对象等都采用了不透明的数据类型，并各自有其访问方法，不能使用其它原有的POSIX API去访问。APUE在其第一版中本来没有讲述线程编程的章节。Stevens去世后，后人在更新第二版时补充了两章多线程编程的章节。

本章讲述了线程的基本概念，包括线程的创建、撤销和同步原语，基本的线程数据类型及其访问方法等。下一章讲述线程各基本类型的属性及访问属性的方法，以及线程的交互。

1、线程ID的访问方法

取当前TID的函数是：

#include

pthread_t pthread_self(void);

对两个TID进行比较（不应直接使用逻辑运算符）的函数是：

#include

int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);

2、线程的创建

#include

pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg);

该函数用于创建一个新的线程，其TID放在tidp指向的地址，它的属性放在attr指向的地址，该线程将函数指针start_rtn处（启动例程）开始执行，并引用arg指向的向量表作为函数参数。

线程机制各种数据类型的属性使用方法在下一章中详述。

几个需要注意的地方：

• 函数指针start_rtn指向一个指针函数，即启动例程必须返回一个指针。

• 是新线程还是原来的线程先运行事先无法假设；新线程可能在原线程的pthread_create返回前就开始运行；

• 新的线程共享同一进程的所有地址空间、信号屏蔽字等，但该线程的未决信号集将被清除，这意味着新线程是不能捕捉创建之前产生的信号的；

• prthread库函数调用失败时通常不修改errno，而是返回错误代码；

• Linux的线程事实上和fork(2)一样通过执行clone(2)系统调用实现的，只是调用参数不一样，使得子进程有和父进程共享内存空间等的轻量级进程的特点。对于Linux线程机制的实现细节，可以参考《Understanding Linux Kernel, 3^rd Edition》的第三章。

3、线程的终止

终止一个线程的终止有多种方式：

• 线程通过调用exit(3)、_exit(2)、_Exit(2)等终止整个进程；

• 线程从启动例程返回；

• 线程通过调用pthread_exit(3)退出；

#include

void pthread_exit(void *rval_ptr);

其中，指针rval_ptr处可以放置退出时要传递的相关信息。其它函数通过pthread_join(3)访问这个指针：

#include

int thread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);

该函数以类似wait(2)的方式阻塞并等待指定的线程thread退出，并将其退出时的信息保存到rval_ptr指向的指针处；

若线程从启动例程返回，则退出信息指针为该例程的返回值；若调用了pthread_exit，则为其参数；若被其它线程取消，则为常数PTHREAD_CANCELED；

要特别注意的是，pthread_exit的指针参数不能是一个局部变量，否则在线程结束时该段内存会被回收，其它线程pthread_join的时候就会出错；

还可以使用pthread_detach(3)分离线程，此时就不用也不能join它的退出状态。

#include

int pthread_detach(pthread_t tid);

• 线程被同一进程的其它进程取消；

#include

int pthread_cancel(pthread_t tid);

该函数用于取消指定的线程，它发出终止请求后就立即返回，并不检查指定的线程是否已经终止；

函数pthread_cleanup_push使用类似atexit(3)的方式注册一个线程终止时的清理函数。

#include

void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);

可以通过调用pthread_exit(3), 响应pthread_cancel(3)的请求，或者调用函数pthread_cleanup_pop来隐式或显示的调用已注册的线程清理函数。（但是从启动例程中返回不会调用清理函数）

#include

void pthread_cleanup_pop(int execute);

该函数用于显式的解除注册最近一个注册的线程清理函数，即线程清理函数使用类似栈的压(push)、弹(pop)方式进行注册和解除；参数execute为0时表示仅解除注册，而不执行，非0则表示执行该清理函数并解除注册；

要特别注意的是，pthread_cleanup_push(3)和pthread_cleanup_pop(3)可能是通过宏来实现的，必须在同一个缩进级别的代码块中配对使用，即编写代码时不能只调用其中一个，否则编译将通不过。因为它们的宏实现通常使用了单的花括号，详见相关手册页。

4、线程的同步

多个任务（多个进程，或者同一个进程中的多个线程等等）同时访 问共有资源时，特别是在异步操作方式下，很容易由于微观上的乱序而产生并发问题，使得对资源的访问结果不可控。故需要采取同步方法去解决并发，使微观层面 上的各个任务对共有资源的操作实现串行化，从而互不冲突地有序使用资源。

一般使用来实现同步的方法。锁机制是一种抽象概念，简单说就是：使占有锁的任务可以自由访问资源，没有锁的任务则无法访问资源，除非该锁被释放并被其占有。锁又分为建议性锁(advisory lock)和强制性锁(mandatory lock)。强制性锁一般跟操作系统及文件系统的实现有关，以下提及的锁，除非特别提及，否则都是建议性锁。

锁机制通常以对临界区(critical section)的保护来实现，即：使用临界区前测试锁，锁空闲时占用之，否则阻塞到锁可以被占用，离开临界区时释放锁。

使用锁机制进行编程有较强的技巧性，是并发程序设计中最复杂，最容易产生bug的环节，需要充分的考虑和经验积累。在使用锁机制时，“需要锁什么”这个问题一定要考虑清楚。各个并发的任务对锁的使用要保证遵循一致的资源访问规则，即所谓合作（cooperating）。在不合作的任务中，（建议性）锁是不起作用的。

锁的如果设计的过粗，就会更容易使得过多的（饥饿）任务阻塞在锁上；如果设计过细，过多的加锁解锁开销会影响性能，同时增加程序的复杂性。

最后要特别注意的问题。死锁简单说就是占有A锁的任务阻塞在B锁上，同时占有B锁的任务阻塞在A锁上，导致两个任务都永远无法继续向下执行。产生死锁的原因是多个锁加锁的顺序不一致产生的。避免死锁的措施是：各个任务应严格以相同的顺序加锁，如果出现不同的顺序，应先解开导致不一致顺序的锁，再重新按顺序加锁。

POSIX线程实现了互斥量(mutex)、读写锁(rwlock)和条件变量(condition variable)的锁机制，用于实现线程同步。

由于这些锁用于线程同步编程，所以通常都通过在堆上动态分配（类似malloc(3)）或者使用静态方法分配内存空间，而不应定义为作用域有限的局部变量。使用动态方法分配锁对象的内存空间时，通常会对锁对象设计一个引用计数器，以决定什么时候可以销毁此对象；

1. 互斥量

通过互斥量加锁的线程，在原子时间内，只有一个线程可以占有锁，其它试图占有锁的线程将被阻塞。

使用动态方法（即锁对象通过类似malloc(3)的方法在堆上分配空间）创建和销毁互斥量的函数是：

#include

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);

如果使用静态方法分配的互斥量，直接给互斥量对象赋值PTHREAD_MUTEX_INITIALIZE即可：

mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZE;

以下函数用于对互斥量对象加锁和解锁：

#include

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

第一个函数对锁mutex进行测试，在其未被占有时占有之，否则阻塞到该锁可以被当前线程占有为止；

第二个函数在mutex被占有时不会阻塞，而是返回EBUSY，故应通过测试其返回值来保护临界区；

最后一个函数用于释放对mutex的占用；

2. 读写锁

读写锁又称共享-独占锁。使用“读”模式占有锁时，对资源的访问为共享状态，将允许任何以“读”模式占有锁访问资源的操作，但阻塞任何试图以“写”模式占有锁访问资源的操作；使用“写”模式占有锁时，对资源的访问为独占状态，此时阻塞任何对此锁的占有要求。

简单点说，就是：读模式下只阻塞写模式锁，写模式下阻塞全部的锁。

另外，很多读写锁都有这样的实现：在使用读模式占有锁时，如果有写模式锁的请求被阻塞，则锁被释放之前，任何对锁的访问请求都将被阻塞。

创建和销毁一个动态分配的读写锁类似mutex：

#include

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

同样可以通过赋值初始化一个静态的读写锁：

rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZE;

读锁和写锁使用的函数接口不同，但解锁的接口是相同的：

#include

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_rwlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

不阻塞地测试上锁的函数为：

#include

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_tryrwlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

3. 条件变量

条件变量的实现机制有点类似信号，它使线程直接在条件cond上睡眠，直到被唤醒为止。条件变量常与互斥量配合使用，在条件不满足时暂时放弃占有互斥量，以减少因竞争锁资源而带来的饥饿；

创建和销毁一个动态分配的条件变量的接口为：

#include

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_condattr_t *restrict *attr);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

如果使用静态的条件变量，可以直接赋予一个初始化宏，如：

cond = PTHREAD_COND_INITIALIZE;

在占有某个互斥量的锁时，如果需要等待某个条件满足，可以使用函数pthread_cond_wait(3)，该函数以原子方式阻塞线程同时释放指定的mutex，直到被唤醒，此时函数重新尝试占有mutex（此时如果mutex已经被其它线程占有的话会被阻塞）并返回。还可以使用pthread_cond_timedwait(3)指定等待的时间，超时时线程直接被唤醒尝试重新占有mutex并返回。

#include

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict *restrict mutex, const struct timespec *restrict timeout);

条件满足时用于唤醒等待条件而阻塞的线程的函数为：

#include

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_signal用于通知排队等待cond的第一个线程， pthread_cond_broadcast则用于通知等待cond的所有线程。

要注意条件变量本身只是一个实现等待与唤醒的一个机制，具体等待的是什么条件需要自己在程序中设计定义。另外，如果条件在wait之前已经满足并发出signal通知，则线程在wait的时候可能会永远等待下去，这点在设计时要特别注意避免。