linux多線程機制線程同步

1．引言

目前,許多流行的多任務作業系統都提供線程機制,線程就是程式中的 單個順序控制流。利用多線程進行程式設計,就是将一個程式(程序)的任務劃分為執行的多個部分(線程) ,每一個線程為一個順序的單控制流,而所有線程都是并發執行的,這樣,多線程程式就可以實作并行計算,高效利用多處理器。線程可分為使用者級線程和核心級線 程兩種基本類型。使用者級線程不需要核心支援,可以在使用者程式中實作,線程排程、同步與互斥都需要使用者程式自己完成。核心級線程需要核心參與,由核心完成線 程排程并提供相應的系統調用,使用者程式可以通過這些接口函數對線程進行一定的控制和管理。Linux作業系統提供了LinuxThreads庫，它是符合POSIX1003.1c标準的核心級多線程函數庫。在linuxthreads庫中提供了一些多線程程式設計的關鍵函數，在多線程程式設計時應包括pthread.h檔案。

2.LinuxThread中的關鍵庫函數

2.1線程的建立和終止

int pthread_create(pthread_t * pthread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine(*void)),void *arg);調用此函數可以建立一個新的線程，新線程建立後執行start_routine 指定的程式。其中參數attr是使用者希望建立線程的屬性，當為NULL時表示以預設的屬性建立線程。arg是向start_routine 傳遞的參數。當成功建立一個新的線程時，系統會自動為新線程配置設定一個線程ID号，并通過pthread 傳回給調用者。

void pthread_exit(void *value_ptr);調用該函數可以退出線程，參數value_ptr是一個指向傳回狀态值的指針。

2.2線程控制函數

pthread_self(void);為了區分線程，線上程建立時系統為其配置設定一個唯一的ID号，由pthread_create()傳回給調用者，也可以通過pthread_self()擷取自己的線程ID。

Int pthread_join (pthread- t thread , void * *status);這個函數的作用是等待一個線程的結束。調用pthread_join()的線程将被挂起直到線程ID為參數thread 指定的線程終止。

int pthread_detach(pthread_t pthread);參數pthread代表的線程一旦終止，立即釋放調該線程占有的所有資源。

2.3線程間的互斥

互斥量和臨界區類似，隻有擁有互斥量的線程才具有通路資源的權限， 由于互斥對象隻有一個，這就決定了任何情況下共享資源（代碼或變量）都不會被多個線程同時通路。使用互斥不僅能夠在同一應用程式的不同線程中實作資源的安 全共享，而且可以在不同應用程式的線程之間實作對資源的安全共享。Linux中通過pthread_mutex_t來定義互斥體機制完成互斥操作。具體的操作函數如下

pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);初使化一個互斥體變量mutex，參數attr表示按照attr屬性建立互斥體變量mutex，如果參數attr為NULL，則以預設的方式建立。

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);給一個互斥體變量上鎖，如果mutex指定的互斥體已經被鎖住，則調用線程将被阻塞直到擁有mutex的線程對mutex解鎖為止。

Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);對參數mutex指定的互斥體變量解鎖。

2.4線程間的同步

同步就是線程等待某一個事件的發生，當等待的事件發生時，被等待的線程和事件一起繼續執行。如果等待的事件未到達則挂起。在linux作業系統中是通過條件變量來實作同步的。

Pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,const pthread_cond_t *attr);這個函數按參數attr指定的屬性初使化一個條件變量cond。

Pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);等待一個事件（條件變量）的發生，發出調用的線程自動阻塞，直到相應的條件變量被置1。等待狀态的線程不占用CPU時間。

pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);解除一個等待參數cond指定的條件變量的線程的阻塞狀态。

3．多線程程式設計的應用執行個體

在這裡利用多線程技術實作生産者和消費者問題，生産者線程向一緩沖區中寫資料， 消費者線程從緩沖區中讀取資料，由于生産者線程和消費者線程共享同一緩沖區，為了正确讀寫資料，在使用緩沖隊列時必須保持互斥。生産者線程和消費者線程必 須滿足：生産者寫入緩沖區的數目不能超過緩沖區容量，消費者讀取的數目不能超過生産者寫入的數目。在程式中使用了一個小技巧來判斷緩沖區是空還是滿。在初 始化時讀指針和寫指針為0;如果讀指針等于寫指針,則緩沖區是空的;如果(寫指針+ 1) % N 等于讀指針,則緩沖區是滿的,%表示取餘數,這時實際上有一個單元空出未用。下面是完整的程式段和注釋。

#include<stdio.h>

#include<pthread.h>

#define BUFFER_SIZE 8

struct prodcons {

int buffer[BUFFER_SIZE];

pthread_mutex_t lock;      //互斥LOCK

int readpos , writepos;

pthread_cond_t notempty;   //緩沖區非空條件判斷

pthread_cond_t notfull;    //緩沖區未滿條件判斷

};

void init(struct prodcons * b){

pthread_mutex_init(&b->lock,NULL);

pthread_cond_init(&b->notempty,NULL);

pthread_cond_init(&b->notfull,NULL);

b->readpos=0;

b->writepos=0;

}

void put(struct prodcons* b,int data){

pthread-_mutex_lock(&b->lock);

if((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos)

{

pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock) ;

}

b->buffer[b->writepos]=data;

b->writepos++;

if(b->writepos >= BUFFER_SIZE)

b->writepos=0;

pthread_cond_signal(&b->notempty);

pthread_mutex_unlock(&b->lock);

}

int get(struct prodcons *b){

int data;

pthread_mutex_lock(&b->lock);

if(b->writepos == b->readpos)

{

pthread_cond _wait(&b->notempty, &b->lock);

}

data = b->buffer[b->readpos];

b->readpos++;

if(b->readpos >= BUFFER_SIZE)

b->readpos=0;

pthread_cond_signal(&b->notfull);

pthread_mutex_unlock(&b->lock);

return data;

}

#define OVER (-1)

struct prodcons buffer;

void *producer(void *data)

{

int n;

for(n = 0; n < 10000; n++)

{

printf("%d /n", n) ;

put(&buffer, n);

}

put(&buffer, OVER);

return NULL;

}

void *consumer(void * data)

{

int d;

while(1)

{

d = get(&buffer);

if(d == OVER)

break;

printf("%d/n", d);

}

return NULL;

}

int main(void)

{

pthread_t th_a, th_b;

void *retval;

init(&buffer);

pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);

& nbsp;   pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);

pthread_join(th_a, &retval);

pthread_join(th_b, &retval);

return 0;

}

上 面的例子中，生産者負責将1到1000的整數寫入緩沖區，而消費者負責從同一個緩沖區中讀取寫入的整數并列印出來。因為生産者和消費者是兩個同時運作的線 程，并且要使用同一個緩沖區進行資料交換，是以必須利用一種機制進行同步。通過上面的例子我們可以看到，多線程的最大好處是，除堆棧之外，幾乎所有的資料 均是共享的，是以線程間的通訊效率很高；缺點：因為共享所有資料，進而非常容易導緻線程之間互相破壞資料，這一點在程式設計時必須注意。

4.結束語

Linux中基于POSIX标準的很好的支援了多線程技術，它減少了程式并發執行時的系統開銷,提高了計算機的工作效率。在具體程式設計過程中要了解線程的間的關系,還要考慮共享資料的保護,在互斥和同步機制下保證代碼的高效運作，程式編譯時用gcc -D –REENTRANT -libpthread.xx.so filename.c編譯。