pthread多線程編程整理（三）

 

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一.pthread_create()之前的屬性設置
1．線程屬性設置
我們用pthread_create函數創建一個線程，在這個線程中，我們使用默認參數，即將該函數的第二個參數設爲NULL。的確，對大多數程序來說，使用默認屬性就夠了，但我們還是有必要來了解一下線程的有關屬性。
屬性結構爲pthread_attr_t，它同樣在頭文件pthread.h中定義，屬性值不能直接設置，須使用相關函數進行操作，初始化的函數爲pthread_attr_init，這個函數必須在pthread_create函數之前調用。屬性對象主要包括是否綁定、是否分離、
堆棧地址、堆棧大小、優先級。默認的屬性爲非綁定、非分離、缺省的堆棧、與父進程同樣級別的優先級。

2．綁定
關於線程的綁定，牽涉到另外一個概念：輕進程（LWP：Light Weight Process）。輕進程可以理解爲內核線程，它位於用戶層和系統層之間。系統對線程資源的分配、對線程的控制是通過輕進程來實現的，一個輕進程可以控制一個或多個線程。默認狀況下，啓動多少輕進程、哪些輕進程來控制哪些線程是由系統來控制的，這種狀況即稱爲非綁定的。綁定狀況下，則顧名思義，即某個線程固定的"綁"在一個輕進程之上。被綁定的線程具有較高的響應速度，這是因爲CPU時間片的調度是面向輕進程的，綁定的線程可以保證在需要的時候它總有一個輕進程可用。通過設置被綁定的輕進程的優先級和調度級可以使得綁定的線程滿足諸如實時反應之類的要求。
　　設置線程綁定狀態的函數爲 pthread_attr_setscope，它有兩個參數，第一個是指向屬性結構的指針，第二個是綁定類型，它有兩個取值： PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（綁定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非綁定的）。下面的代碼即創建了一個綁定的線程。
＃i nclude <pthread.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
/*初始化屬性值，均設爲默認值*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);

3．線程分離狀態                                                                                                                                         線程的分離狀態決定一個線程以什麼樣的方式來終止自己。非分離的線程終止時，其線程ID和退出狀態將保留，直到另外一個線程調用pthread_join.分離的線程在當它終止時，所有的資源將釋放，我們不能等待它終止。                                                                                         設置線程分離狀態的函數爲 pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。第二個參數可選爲PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離線程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分離線程）。這裏要注意的一點是，如果設置一個線程爲分離線程，而這個線程運行又非常快，它很可能在 pthread_create函數返回之前就終止了，它終止以後就可能將線程號和系統資源移交給其他的線程使用，這樣調用pthread_create的線程就得到了錯誤的線程號。要避免這種情況可以採取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被創建的線程裏調用 pthread_cond_timewait函數，讓這個線程等待一會兒，留出足夠的時間讓函數pthread_create返回。設置一段等待時間，是在多線程編程裏常用的方法。
4．優先級                                                                                                                                                 它存放在結構sched_param中。用函數pthread_attr_getschedparam和函數 pthread_attr_setschedparam進行存放，一般說來，我們總是先取優先級，對取得的值修改後再存放回去。下面即是一段簡單的例子。

＃i nclude <pthread.h>
＃i nclude <sched.h>
pthread_attr_t attr; pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;
/*初始化屬性*/
pthread_attr_init(&attr);
/*設置優先級*/
pthread_attr_getschedparam(&attr, &param);  
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);
pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);

二．線程數據處理                                                                                                                                 和進程相比，線程的最大優點之一是數據的共享性，各個進程共享父進程處沿襲的數據段，可以方便的獲得、修改數據。但這也給多線程編程帶來了許多問題。我們必須當心有多個不同的進程訪問相同的變量。許多函數是不可重入的，即同時不能運行一個函數的多個拷貝（除非使用不同的數據段）。在函數中聲明的靜態變量常常帶來問題，函數的返回值也會有問題。因爲如果返回的是函數內部靜態聲明的空間的地址，則在一個線程調用該函數得到地址後使用該地址指向的數據時，別的線程可能調用此函數並修改了這一段數據。在進程中共享的變量必須用關鍵字volatile來定義，這是爲了防止編譯器在優化時（如gcc中使用-OX參數）改變它們的使用方式。爲了保護變量，我們必須使用信號量、互斥等方法來保證我們對變量的正確使用。
1．線程數據                                                                                                                                                 在單線程的程序裏，有兩種基本的數據：全局變量和局部變量。但在多線程程序裏，還有第三種數據類型：線程數據（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局變量很象，在線程內部，各個函數可以象使用全局變量一樣調用它，但它對線程外部的其它線程是不可見的。例如我們常見的變量errno，它返回標準的出錯信息。它顯然不能是一個局部變量，幾乎每個函數都應該可以調用它；但它又不能是一個全局變量，否則在 A線程裏輸出的很可能是B線程的出錯信息。要實現諸如此類的變量，我們就必須使用線程數據。我們爲每個線程數據創建一個鍵，它和這個鍵相關聯，在各個線程裏，都使用這個鍵來指代線程數據，但在不同的線程裏，這個鍵代表的數據是不同的，在同一個線程裏，它代表同樣的數據內容。
　　和線程數據相關的函數主要有4個：創建一個鍵；爲一個鍵指定線程數據；從一個鍵讀取線程數據；刪除鍵。
　　創建鍵的函數原型爲：
　　int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,void (*__destr_function) (void *)));                                                                                                                                                 第一個參數爲指向一個鍵值的指針，第二個參數指明瞭一個destructor函數，如果這個參數不爲空，那麼當每個線程結束時，系統將調用這個函數來釋放綁定在這個鍵上的內存塊。這個函數常和函數pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用，爲了讓這個鍵只被創建一次。函數pthread_once聲明一個初始化函數，第一次調用pthread_once時它執行這個函數，以後的調用將被它忽略。
int pthread_key_delete(pthread_key_t *key);
該函數用於刪除一個由pthread_key_create 函數調用創建的鍵。調用成功返回值爲0，否則返回錯誤代碼。
在下面的例子中，我們創建一個鍵，並將它和某個數據相關聯。我們要定義一個函數 createWindow，這個函數定義一個圖形窗口（數據類型爲Fl_Window *，這是圖形界面開發工具FLTK中的數據類型）。由於各個線程都會調用這個函數，所以我們使用線程數據。
/* 聲明一個鍵*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函數 createWindow */
void createWindow ( void ) {
Fl_Window * win;
static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
/* 調用函數createMyKey，創建鍵*/
pthread_once ( & once, createMyKey) ;
/*win指向一個新建立的窗口*/
win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");
/* 對此窗口作一些可能的設置工作，如大小、位置、名稱等*/
setWindow(win);
/* 將窗口指針值綁定在鍵myWinKey上*/
pthread_setpecific ( myWinKey, win);
}
/* 函數 createMyKey，創建一個鍵，並指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);
}
/* 函數 freeWinKey，釋放空間*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
delete win;
}
這樣，在不同的線程中調用函數createMyWin，都可以得到在線程內部均可見的窗口變量，這個變量通過函數 pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我們已經使用了函數pthread_setspecific來將線程數據和一個鍵綁定在一起。這兩個函數的原型如下：
　　
int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer)); 該函數設置一個線程專有數據的值，賦給由pthread_key_create 創建的鍵，調用成功返回值爲0，否則返回錯誤代碼。
void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));                                                  該函數獲得綁定到指定鍵上的值。調用成功，返回給定參數key 所對應的數據。如果沒有數據連接到該鍵，則返回NULL。

　　這兩個函數的參數意義和使用方法是顯而易見的。要注意的是，用pthread_setspecific爲一個鍵指定新的線程數據時，必須自己釋放原有的線程數據以回收空間。這個過程函數pthread_key_delete用來刪除一個鍵，這個鍵佔用的內存將被釋放，但同樣要注意的是，它只釋放鍵佔用的內存，並不釋放該鍵關聯的線程數據所佔用的內存資源，而且它也不會觸發函數pthread_key_create中定義的destructor函數。線程數據的釋放必須在釋放鍵之前完成。
2．互斥鎖                                                                                                                                                 假設各個現成向同一個文件順序寫入數據，最後得到的結果是不可想象的。所以用互斥鎖來保證一段時間內只有一個線程在執行一段代碼。



使用int pthread_mutex_lock鎖住互斥鎖，使用int pthread_mutex_unlock解瑣。
如果我們試圖爲一個已被其他線程鎖住的互斥鎖加鎖，程序便會阻塞直到該互斥對象解鎖。
如果在共享內存中分配一個互斥鎖，我們必須在運行時調用ptgread_mutex_init函數盡心初始化。
void reader_function ( void );
void writer_function ( void );
char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main ( void ){
pthread_t reader;
/* 定義延遲時間*/
delay.tv_sec = 2;
delay.tv_nec = 0;
/* 用默認屬性初始化一個互斥鎖對象*/
pthread_mutex_init (&mutex,NULL);
pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);
writer_function( );
}
void writer_function (void){
while(1){
/* 鎖定互斥鎖*/
pthread_mutex_lock (&mutex);
if (buffer_has_item==0){
buffer=make_new_item( );
buffer_has_item=1;
}
/* 打開互斥鎖*/
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}
void reader_function(void){
while(1){
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(buffer_has_item==1){
consume_item(buffer);
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}
函數 pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL參數表明使用默認屬性。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調用函數 pthread_mutexattr_init。函數pthread_mutexattr_setpshared和函數 pthread_mutexattr_settype用來設置互斥鎖屬性。前一個函數設置屬性pshared，它有兩個取值， PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來不同進程中的線程同步，後者用於同步本進程的不同線程。在上面的例子中，我們使用的是默認屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。後者用來設置互斥鎖類型，可選的類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它們分別定義了不同的上所、解鎖機制，一般情況下，選用最後一個默認屬性。
需要注意的是在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現死鎖：兩個線程試圖同時佔用兩個資源，並按不同的次序鎖定相應的互斥鎖，例如兩個線程都需要鎖定互斥鎖1和互斥鎖2，a線程先鎖定互斥鎖1，b線程先鎖定互斥鎖2，這時就出現了死鎖。此時我們可以使用函數 pthread_mutex_trylock，它是函數pthread_mutex_lock的非阻塞版本，當它發現死鎖不可避免時，它會返回相應的信息，程序員可以針對死鎖做出相應的處理。另外不同的互斥鎖類型對死鎖的處理不一樣，但最主要的還是要程序員自己在程序設計注意這一點。
3．條件變量
互斥鎖一個明顯的缺點是它只有兩種狀態：鎖定和非鎖定。而條件變量通過允許線程阻塞和等待另一個線程發送信號的方法彌補了互斥鎖的不足，它常和互斥鎖一起使用。使用時，條件變量被用來阻塞一個線程，當條件不滿足時，線程往往解開相應的互斥鎖並等待條件發生變化。一旦其它的某個線程改變了條件變量，它將通知相應的條件變量喚醒一個或多個正被此條件變量阻塞的線程。這些線程將重新鎖定互斥鎖並重新測試條件是否滿足。一般說來，條件變量被用來進行線承間的同步。
條件變量的結構爲pthread_cond_t，函數pthread_cond_init（）被用來初始化一個條件變量。它的原型爲：

int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));
         
其中cond是一個指向結構pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個指向結構pthread_condattr_t的指針。結構 pthread_condattr_t是條件變量的屬性結構，和互斥鎖一樣我們可以用它來設置條件變量是進程內可用還是進程間可用，默認值是 PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此條件變量被同一進程內的各個線程使用。注意初始化條件變量只有未被使用時才能重新初始化或被釋放。
在pthread中，條件變量是一個pthread_cond_t類型的變量，條件變量使用下面兩個函數：

pthread_cond_wait函數用於阻塞，線程可以被函數pthread_cond_signal和函數    pthread_cond_broadcast喚醒，但是要注意的是，條件變量只是起阻塞和喚醒線程的作用，具體的判斷條件還需用戶給出，例如一個變量是否爲0等等，這一點我們從後面的例子中可以看到。線程被喚醒後，它將重新檢查判斷條件是否滿足，如果還不滿足，一般說來線程應該仍阻塞在這裏，被等待被下一次喚醒。這個過程一般用while語句實現。
另一個用來阻塞線程的函數是pthread_cond_timedwait（）它比函數pthread_cond_wait（）多了一個時間參數，經歷abstime段時間後，即使條件變量不滿足，阻塞也被解除。
函數pthread_cond_signal（）用來釋放被阻塞在條件變量cond上的一個線程。
函數pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用來喚醒所有被阻塞在條件變量cond上的線程。這些線程被喚醒後將再次競爭相應的互斥鎖，所以必須小心使用這個函數。
下面是使用函數pthread_cond_wait（）和函數pthread_cond_signal（）的一個簡單的例子:
pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count　() {
pthread_mutex_lock (&count_lock);
while(count==0)
pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);
count=count -1;
pthread_mutex_unlock (&count_lock);
}

increment_count(){
pthread_mutex_lock(&count_lock);
if(count==0)
pthread_cond_signal(&count_nonzero);
count=count+1;
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}
count值爲0時， decrement函數在pthread_cond_wait處被阻塞，並打開互斥鎖count_lock。此時，當調用到函數 increment_count時，pthread_cond_signal（）函數改變條件變量，告知decrement_count（）停止阻塞。

 參考資料：