Unix环境高级编程学习笔记（七） 多线程
線程概述
線程（thread）技術早在60年代就被提出，但真正應用多線程到操作系統中去，是在80年代中期，solaris是這方面的佼佼者。傳統的Unix也支持線程的概念，但是在一個進程（process）中只允許有一個線程，這樣多線程就意味著多進程。現在，多線程技術已經被許多操作系統所支持，包括Windows/NT，當然，也包括Linux。
為什么有了進程的概念后，還要再引入線程呢？使用多線程到底有哪些好處？什么的系統應該選用多線程？我們首先必須回答這些問題。
使用多線程的理由之一是和進程相比，它是一種非常"節儉"的多任務操作方式。我們知道，在Linux系統下，啟動一個新的進程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數據表來維護它的代碼段、堆棧段和數據段，這是一種"昂貴"的多任務工作方式。而運行于一個進程中的多個線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分數據，啟動一個線程所花費的空間遠遠小于啟動一個進程所花費的空間，而且，線程間彼此切換所需的時間也遠遠小于進程間切換所需要的時間。據統計，總的說來，一個進程的開銷大約是一個線程開銷的30倍左右，當然，在具體的系統上，這個數據可能會有較大的區別。
使用多線程的理由之二是線程間方便的通信機制。對不同進程來說，它們具有獨立的數據空間，要進行數據的傳遞只能通過通信的方式進行，這種方式不僅費時，而且很不方便。線程則不然，由于同一進程下的線程之間共享數據空間，所以一個線程的數據可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。當然，數據的共享也帶來其他一些問題，有的變量不能同時被兩個線程所修改，有的子程序中聲明為static的數據更有可能給多線程程序帶來災難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時最需要注意的地方。
除了以上所說的優點外，不和進程比較，多線程程序作為一種多任務、并發的工作方式，當然有以下的優點：
1) 提高應用程序響應。這對圖形界面的程序尤其有意義，當一個操作耗時很長時，整個系統都會等待這個操作，此時程序不會響應鍵盤、鼠標、菜單的操作，而使用多線程技術，將耗時長的操作（time consuming）置于一個新的線程，可以避免這種尷尬的情況。
2) 使多CPU系統更加有效。操作系統會保證當線程數不大于CPU數目時，不同的線程運行于不同的CPU上。
3) 改善程序結構。一個既長又復雜的進程可以考慮分為多個線程，成為幾個獨立或半獨立的運行部分，這樣的程序會利于理解和修改。
一個線程所包含的信息呈現出了它在一個進程中的執行環境，它們包括線程ID，線程棧，時刻優先級和策略（a scheduling priority and policy），信號屏蔽字，error變量以及線程相關的特定數據（線程私有數據）。在一個進程中幾乎所有的東西都是可以共享的，包括代碼段，全局變量以及堆、棧，還包括文件描述符等。一個線程的線程ID是用于在進程中唯一確定的標識，和進程ID不同，它只有在該線程所在的進程中才有意義。
線程的創建
首先我們來看一下調用函數：
[cpp]?view plaincopy
它的第一個參數是O類型的，用于獲取新創建的線程ID，attr是線程屬性，默認時可賦值為空，start_rtn是一個函數指針，線程創建成功后，該函數將作為線程的入口函數開始運行，arg是傳遞給該線程函數的參數。
新創建的線程有權訪問它所在進程的地址空間，它將繼承父線程的浮點環境（floating-point environment）以及信號屏蔽字，不過，已經處于阻塞隊列中的信號將被清空。
新創建的線程默認將以分離模式運行，也就是說，當線程結束時，系統將自動回收其資源，并扔掉其結束狀態。當然，我們也可以通過設置其線程屬性來使線程以非分離模式運行，在此模式下，線程結束時，必須由其他線程調用join函數來釋放其資源并獲取其結束狀態。
我們來看看線程屬性的設置方式，以下兩個函數用于初始化以及銷毀線程屬性結構體（并非釋放內存）：
[cpp]?view plaincopy這樣，在初始化后，屬性結構體就被初始化為默認值，下面的函數可用于獲取以及設置線程的分離屬性： [cpp]?view plaincopy
在設置時，第二個參數分離狀態只能是這兩種常量：PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離模式）和PTHREAD_CREATE_JOINABLE。
當然，我們也可以在運行期間修改線程的分離屬性，以下函數可以在線程運行時將其改變為分離模式：
[cpp]?view plaincopy線程屬性不止用于分離屬性，我們知道，由于所有的線程都使用同一個地址空間，每一個線程棧的大小就受到了限制，根據應用的業務邏輯，我們可能需要修改一個線程的棧的默認大小，例如，當存在的線程過多，我們就希望它的棧能夠小一點，而如果某個線程將要執行的業務邏輯需要進行很深的遞歸調用，我們就希望其運行棧能夠大一點。通過修改屬性的方式也能對這些進行設置：
[cpp]?view plaincopystackaddr是棧的首地址，stacksize則是棧的大小。當然，許多時候，我們不希望自己來處理內存的分配等事宜，也可以通過以下的函數只指定棧的大小：
[cpp]?view plaincopy一個屬性對象在被設置之后可以用于多個線程的創建，同時，當屬性對象使用完畢后，我們再對屬性對象的更改或是destroy都不會影響到那些已經創建完成的線程。
線程終止
以下是線程正常終止的三種方式：
1. 線程從線程入口函數處返回，其返回值將是該線程的終止狀態。
2. 線程調用pthread_exit函數終止當前線程，該函數的參數將被作為終止狀態。
3. 該線程被相同進程中的其他線程所取消。
由于任意一個線程調用exit系列函數都將終止整個進程，因此當我們只想要終止線程時可以使用pthread_exit函數：
[cpp]?view plaincopy如果線程被取消了，則其終止狀態將是：PTHREAD_CANCELED。那么，我們該如何獲得線程的終止狀態呢？前面我們講過線程的兩種運行模式：分離模式和接合（join）模式。當處于分離狀態終止時，其終止狀態將自動被系統所舍棄，只有處于接合模式下，我們才能獲得其終止狀態，參看以下函數：
[cpp]?view plaincopy這個方法將阻塞直到它所指定的線程終止，參數rval_ptr是O類型的，用于獲取線程的終止狀態。
類似于atexit函數一樣，我們也可以為線程提供清理函數，以下是線程清理函數的注冊函數；
[cpp]?view plaincopy這兩個函數分別用于增加與刪除清理函數，清理函數可以不止一個，其組織形式按照棧的結構組織，所以增加刪除都是在棧頂操作，并且其調用順序也是與其添加順序相反的。出口函數在以下三種情況下會被調用：
1. 調用pthread_exit函數
2. 響應對線程的取消請求
3. 使用非0參數調用pthread_cleanup_pop函數。
從上面可以看出來，有一點也許會另我們意外，那就是，當線程從入口函數處正常返回時，清理函數并不會得到調用。
pthread_cleanup_push用于增加清理函數，我們來看一下pthread_cleanup_pop函數，它的作用是刪除最后一個被注冊的清理函數，如果其調用參數非0,那么在刪除該清理函數的同時，它也將得到調用。有一點需要注意的是，由于pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_push可能被宏來實現，所以我們必須成對的使用它們，否則會報編譯錯誤。下面是linux的實現方式：
[cpp]?view plaincopy線程取消（cancellation）
[cpp]?view plaincopy 該函數的默認效果是取消tid線程，這使得該線程仿佛自己調用了pthread_exit，使用PTHREAD_CANCELED作為其結束狀態。不過實際上，一個線程不必馬上對該取消請求進行響應，甚至可以忽略該請求。
在默認情況下，只有當線程運行到取消點（cancellation point）時才會對取消請求進行響應，一個取消點是指線程檢查其是否已經被取消的地方，POSIX.1定義了如下的一些函數作為取消點，當這些函數被調用時，將檢查是否被取消，從而作出響應：
當然，還有一些其他的函數也有可能作為取消點，不過那些是可選的，依照具體的實現而不同，不具備可移植性。實際上，我們也可以自己定義取消點。請看下面的函數：
[cpp]?view plaincopy當取消請求發生時，默認情況下，它會被阻塞，直到線程對它進行響應，該函數調用時，如果已有取消請求被阻塞住，并且線程取消功能并沒有被關閉（這個等會兒解釋）的話，該線程將被取消。
前面說的這些都是默認操作，實際上我們也可以修改取消的狀態和類型。先說取消類型（cancellation type），通過對該屬性進行設置可以決定線程是否在取消點才被取消，請看函數聲明：
[cpp]?view plaincopytype參數只能是如下常量之一：PTHREAD_CANCEL_DEFERRED（這個是默認的） or PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS。使用第一個常量，則線程只有到取消點才會檢查取消請求，但后者則決定線程可以在任何時候被取消，不必等到取消點。oldtype是一個O類型參數，用于獲取歷史取消類型。
我們也可以修改其取消狀態使線程忽略其他線程的取消請求，使用如下函數：
[cpp]?view plaincopy通過此函數可以設置線程是否對線程取消進行響應，state只能是如下常量之一：PTHREAD_CANCEL_ENABLE 或是 PTHREAD_CANCEL_DISABLE。需要注意的是，當取消狀態被設置為PTHREAD_CANCEL_DISABLE時，取消請求并沒有被舍棄，它只是被阻塞住了，直到當該功能再此被啟用時，如果有阻塞的取消請求，線程將會被取消。
多線程下的信號量機制
每一個線程都有它自己的信號量屏蔽字，但是信號處理方式（signal disposition）卻是在進程內共享的。如果一個信號量是有硬件錯誤或是時鐘到點導致的，那么該信號將被發送給發生這些事件的線程，而如果不是這些情況引發的信號，它們將被發送給該進程下的任意一個線程。在多線程環境下使用sigprocmask函數修改信號屏蔽字的行為是未定義的，我們應該使用另外一個函數代替，那就是pthread_sigmask。
[cpp]?view plaincopy他的使用方式和sigprocmask函數是一致的，這里就不再多作討論了。
在多線程環境下，我們通常可以指定某個特定的線程來專門完成信號處理的工作，從而可以防止因其他工作線程被打斷而引發的異常情況，先來看一個函數：
[cpp]?view plaincopy
set參數的類型是我們前面將信號機制時所提到過的信號集，在這里它被用來指定我們想要處理的信號，而第二個參數是O類型參數，當該函數返回時，它存有我們實際接收到的信號number。當該函數調用后，線程會被阻塞，直到有它所等待的信號發生（實際上，該函數也是可能會被其他信號所中斷的）。如果在調用時，已經有它要等待的信號在阻塞隊列里了，那么該函數將立即返回，而不需要再阻塞。在返回之前，sigwait函數將移除掉阻塞隊列中它所等待的信號。為避免可能出現的空檔，造成錯誤的信號處理行為，線程在調用sigwait函數之前應該先把它要等待的信號給阻塞調。而在掉用sigwait函數的時候，它將自動unblock這些信號并開始等待直到那些信號中的一個被交付。在該函數返回以前，這些被unblock了的信號會被再次自動恢復阻塞。如果多個線程在調用wigwait時等待了相同的信號，當該信號發生后，只有一個線程會獲得該信號并從阻塞中返回。
在linux的實現中，必須要注意的是，由于linux中實際上沒有真正的線程，它所謂的線程實際上只是一個輕量級的進程，所以，當信號發生時，如果主線程沒有阻塞這個信號，其他線程是sigwait不到那個信號的。因此，在使用sigwait函數時，我們最好讓其他線程都把那些信號都給阻塞住。
實際上，我們也可以將信號發送給某個特定的線程，類似于kill，其函數聲明如下：
[cpp]?view plaincopy該函數的作用就是向指定的線程發送指定的信號量，這里有一個小技巧，當我們指定信號量為0時，該函數可以用來檢測該線程是否存在。如果接受到信號的線程對信號的默認操作是終止進程的話，那么整個進程都將被終止。
對于信號量，還有一點值得注意的是，alarm timers是屬于進程的資源，所有的線程都共享了同一個alarm，所以，對于同一個進程中的多個線程來說，不用擔心其他線程的干擾而使用alarm timers的方法是不存在的。
參考文獻
《Linux下的多線程編程》 姚繼鋒
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Unix环境高级编程学习笔记（七） 多线程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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