pthread多线程编程整理(二)(转)

6 Thread Synchronization
1.     互斥量:Mutex
a.     用于互斥访问
b.     类 型:pthread_mutex_t,必须被初始化为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER(用于静态分配的mutex,等价于 pthread_mutex_init(…, NULL))或者调用pthread_mutex_init。Mutex也应该用pthread_mutex_destroy来销毁。这两个函数原型如 下:(attr的具体含义下一章讨论)
#i nclude <pthread.h>
int pthread_mutex_init(
pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr)
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
c.     pthread_mutex_lock 用于Lock Mutex,如果Mutex已经被Lock,该函数调用会Block直到Mutex被Unlock,然后该函数会Lock Mutex并返回。pthread_mutex_trylock类似,只是当Mutex被Lock的时候不会Block,而是返回一个错误值EBUSY。 pthread_mutex_unlock则是unlock一个mutex。这三个函数原型如下:
#i nclude <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
2.     读写锁:Reader-Writer Locks
a.     多个线程可以同时获得读锁(Reader-Writer lock in read mode),但是只有一个线程能够获得写锁(Reader-writer lock in write mode)
b.     读写锁有三种状态
i.    一个或者多个线程获得读锁,其他线程无法获得写锁
ii.    一个线程获得写锁,其他线程无法获得读锁
iii.    没有线程获得此读写锁
c.     类型为pthread_rwlock_t
d.     创建和关闭方法如下:
#i nclude <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(
pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr)
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
e.     获得读写锁的方法如下:
#i nclude <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_rdlock:获得读锁
pthread_rwlock_wrlock:获得写锁
pthread_rwlock_unlock:释放锁,不管是读锁还是写锁都是调用此函数
注意具体实现可能对同时获得读锁的线程个数有限制,所以在调用 pthread_rwlock_rdlock的时候需要检查错误值,而另外两个pthread_rwlock_wrlock和 pthread_rwlock_unlock则一般不用检查,如果我们代码写的正确的话。
3.     Conditional Variable:条件
a.     条件必须被Mutex保护起来
b.     类型为:pthread_cond_t,必须被初始化为PTHREAD_COND_INITIALIZER(用于静态分配的条件,等价于pthread_cond_init(…, NULL))或者调用pthread_cond_init
#i nclude <pthread.h>
int pthread_cond_init(
pthread_cond_t *restrict cond,
const pthread_condxattr_t *restrict attr)
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
c.     pthread_cond_wait 函数用于等待条件发生(=true)。pthread_cond_timedwait类似,只是当等待超时的时候返回一个错误值ETIMEDOUT。超时 的时间用timespec结构指定。此外,两个函数都需要传入一个Mutex用于保护条件
#i nclude <pthread.h>
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 mutex,
const struct timespec *restrict timeout);
d.     timespec结构定义如下:
struct timespec {
time_t tv_sec;       /* seconds */
long   tv_nsec;      /* nanoseconds */
};
注意timespec的时间是绝对时间而非相对时间,因此需要先调用gettimeofday函数获得当前时间,再转换成timespec结构,加上偏移量。
e.     有两个函数用于通知线程条件被满足(=true):
#i nclude <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

两者的区别是前者会唤醒单个线程,而后者会唤醒多个线程。

补充:

在传统的Unix模型中,当一个进程需要由另一个实体执行某件事时,该进程派生(fork)一个子进程,让子进程去进行处理。Unix下的大多数网络服务器程序都是这么编写的,即父进程接受连接,派生子进程,子进程处理与客户的交互。

虽然这种模型很多年来使用得很好,但是fork时有一些问题:

1. fork是昂贵的。内存映像要从父进程拷贝到子进程,所有描述字要在子进程中复制等等。目前有的Unix实现使用一种叫做写时拷贝(copy-on-write)的技术,可避免父进程数据空间向子进程的拷贝。尽管有这种优化技术,fork仍然是昂贵的。

2. fork子进程后,需要用进程间通信(IPC)在父子进程之间传递信息。Fork之前的信息容易传递,因为子进程从一开始就有父进程数据空间及所有描述字的拷贝。但是从子进程返回信息给父进程需要做更多的工作。

线程有助于解决这两个问题。线程有时被称为轻权进程(lightweight process),因为线程比进程“轻权”,一般来说,创建一个线程要比创建一个进程快10~100倍。

一个进程中的所有线程共享相同的全局内存,这使得线程很容易共享信息,但是这种简易性也带来了同步问题。

一个进程中的所有线程不仅共享全局变量,而且共享:进程指令、大多数数据、打开的文件(如描 述字)、信号处理程序和信号处置、当前工作目录、用户ID和组ID。但是每个线程有自己的线程ID、寄存器集合(包括程序计数器和栈指针)、栈(用于存放 局部变量和返回地址)、error、信号掩码、优先级。在Linux中线程编程符合Posix.1标准,称为Pthreads。所有的pthread函数 都以pthread_开头。以下先讲述5个基本线程函数,在调用它们前均要包括pthread.h头文件。然后再给出用它们编写的一个TCP客户/服务器 程序例子。

第一个函数:

int pthread_create (pthread_t *tid,const pthread_attr_t *attr,void *      (*func)(void *),void *arg);

一个进程中的每个线程都由一个线程ID(thread ID)标识,其数据类型是pthread_t(常常是unsigned int)。如果新的线程创建成功,其ID将通过tid指针返回。

每个线程都有很多属性:优先级、起始栈大小、是否应该是一个守护线程等等,当创建线程时,我们可通过初始化一个pthread_attr_t变量说明这些属性以覆盖缺省值。我们通常使用缺省值,在这种情况下,我们将attr参数说明为空指针。

最后,当创建一个线程时,我们要说明一个它将执行的函数。线程以调用该函数开始,然后或者显 式地终止(调用pthread_exit)或者隐式地终止(让该函数返回)。函数的地址由func参数指定,该函数的调用参数是一个指针arg,如果我们 需要多个调用参数,我们必须将它们打包成一个结构,然后将其地址当作唯一的参数传递给起始函数。

在func和arg的声明中,func函数取一个通用指针(void *)参数,并返回一个通用指针(void *),这就使得我们可以传递一个指针(指向任何我们想要指向的东西)给线程,由线程返回一个指针(同样指向任何我们想要指向的东西)。调用成功,返回0, 出错时返回正Exxx值。Pthread函数不设置errno。

第二个函数:

int pthread_join(pthread_t tid,void **status);

该函数等待一个线程终止。把线程和进程相比,pthread_creat类似于fork,而 pthread_join类似于waitpid。我们必须要等待线程的tid,很可惜,我们没有办法等待任意一个线程结束。如果status指针非空,线 程的返回值(一个指向某个对象的指针)将存放在status指向的位置。

第三个函数:

pthread_t pthread_self(void);

线程都有一个ID以在给定的进程内标识自己。线程ID由pthread_creat返回,我们可以pthread_self取得自己的线程ID。

第四个函数:

int pthread_detach(pthread_t tid);

线程或者是可汇合的(joinable)或者是脱离的(detached)。当可汇合的线程 终止时,其线程ID和退出状态将保留,直到另外一个线程调用pthread_join。脱离的线程则像守护进程:当它终止时,所有的资源都释放,我们不能 等待它终止。如果一个线程需要知道另一个线程什么时候终止,最好保留第二个线程的可汇合性。Pthread_detach函数将指定的线程变为脱离的。该函数通常被想脱离自己的线程调用,如:pthread_detach (pthread_self ( ));

第五个函数:

void pthread_exit(void *status);

该函数终止线程。如果线程未脱离,其线程ID和退出状态将一直保留到调用进程中的某个其他线程调用pthread_join函数。指针status不能指向局部于调用线程的对象,因为线程终止时这些对象也消失。有两种其他方法可使线程终止:

1. 启动线程的函数(pthread_creat的第3个参数)返回。既然该函数必须说明为返回一个void指针,该返回值便是线程的终止状态。

2. 如果进程的main函数返回或者任何线程调用了exit,进程将终止,线程将随之终止。(这个说法是不对的!NPTL(Native Posix Thread Library)引入了新的退出系统调用exit_group()。原来的exit保留用于退出单个线程,exit_group用于退出整个进程。

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