Linux下多線程程式設計（C語言）

linux下多線程程式設計（c語言）

2.6核心開始使用nptl(native posix thread library)線程庫，這個線程庫有以下幾個目标： posix相容，都處理結果和應用，底啟動開銷，低連結開銷，與linux thread應用的二進制相容，軟硬體的可擴充能力，與c++內建等。

這裡的線程是指使用者空間的線程操作

一、線程相關操作

1.1  pthread_t

     pthread_t 在頭檔案  /usr/include/i386-linux-gnu/bits/pthreadtypes.h中定義：

　　typedef unsigned long int pthread_t;

　　它是一個線程的辨別符(線程id)。

    1.2 pthread_create

用來建立一個線程，它的原型為：

　　extern int pthread_create __p ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,void *(*__start_routine) (void *), void *__arg));

　 （1）、第一個參數為指向線程辨別符的指針（線程id），第二個參數用來設定線程屬性，第三個參數是線程運作函數的起始位址，最後一個參數是運作函數的參數。

（2）、若函數線程運作函數thread不需要參數，則最後一個參數應設為空指針。

（3）、第二個參數選擇設為空指針，則将生成預設屬性的線程。(可以對其屬性進行設定和修改)

（4）、當建立線程成功時，函數傳回0，若不為0則說明建立線程失敗。

常見的錯誤傳回代碼為eagain和einval。

eagain表示系統限制建立新的線程，例如線程數目過多了；

einval表示第二個參數代表的線程屬性值非法。

（5）建立線程成功後，新建立的線程則運作參數三和參數四确定的函數，原來的線程則繼續運作下一行代碼。

（6）attr: 線程屬性包括：優先級、初始棧大小，是否應該成為一個守護線程。

預設設定，null

tidp是要建立的線程，建立成功後tipd為先線程的id

void *(* func) (void *)是一個函數指針，該函數指針的類型為void* (*)(void *)

1.3  pthread_join 和 pthread_exit　　

線程退出的三種方式：

（1） 線上程建立以後，就開始運作相關的線程函數，在該線程函數運作完之後，該線程也就退出了。這是線程退出的一種方法: 運作完畢，自動退出;

       （2） 調用pthread_exit函數主動退出;

       （3） 程序終止函數exit函數，一旦結束了程序，那麼此程序中所有線程都将無條件終止。

     注意點：在預設線程屬性下，如果一個程序有很多線程在同時運作，一個線程在退出以後，目前線程所占用的資源并不會随着線程的終止而得到釋放。因為所有處在一個程序中的線程共享資源。

    線程中還有一個常用函數：pthread_join函數可以用于将目前線程挂起，，等待其他線程結束。實際上，這個函數是就是一個線程阻塞函數，調用它的函數将一直等待到被等待的線程結束為止。當函數傳回時，被等待線程的資源就被回收。

extern int pthread_join __p ((pthread_t __th, void **__thread_return));

th: 等待線程的辨別符

thread_return:使用者定義的指針，用來存儲被等待線程的傳回值（不為null時）

成功：0

void pthread_exit(void *retval)

retval：調用者線程的傳回值，可由其他函數如pthread_join來檢索擷取。

1.4  互斥鎖相關

     互斥鎖用來保證一段時間内隻有一個線程在執行一段代碼。

必須被初始化為pthread_mutex_initializer（用于靜态配置設定的mutex，等價于 pthread_mutex_init(…, null)）或者調用pthread_mutex_init。mutex也應該用pthread_mutex_destroy來銷毀。

    (1) pthread_mutex_init

     函 數pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。null參數表明使用預設屬性。

    (2) pthread_mutex_lock   pthread_mutex_unlock   pthread_delay_np

　 　pthread_mutex_lock表示開始用互斥鎖上鎖，此後的代碼直至調用pthread_mutex_unlock為止，均被上鎖，即同一時間隻 能被一個線程調用執行。當一個線程執行到pthread_mutex_lock處時，如果該鎖此時被另一個線程使用，那此線程被阻塞，即程式将等待到另一 個線程釋放此互斥鎖。

(3) sleep是為了讓線程睡眠一段時間，讓線程釋放互斥鎖，等待另一個線程使用此鎖。

1.5取消一個線程

1.5.1  int pthread_cancel(pthread_t thread);

thread:線程的辨別符           成功：0

1.5.2  在取消線形程請求的接收端，線程可以用pthread_setcancelstate設定自己的取消狀态，

int pthread_setcancelstate(int state,int *oldstate);(是否接受取消的請求)

state:可以是pthread_cancel_enable，這個值允許線程接收取消請求；還可以是pthread_cancel_disable,它的作用是螢幕它們。

     線程以前的取消狀态可以用oldstate指針檢索出來。如果沒興趣可以傳一個null進去。

1.5.3 如果取消請求被接受了，線程會進入第二個控制層次----用pthread_setcanceltype設定取消類型。

int pthread_setcanceltype(int type,int *oldstate);

type:可以有兩種取值：

（1）一個是pthread_cancel_asynchoronous，接收到取消請求之後立刻采取行動；

（2）另一個是 pthread_cancel_deferred，在接收到取消請求之後、采取實際行動之前，先執行以下幾個函數之一：pthread_join、 pthread_cond_wait、pthread_cond_timewait、pthread_testcancel、sem_wait或 sigwait。  

1.6 擷取線程自身的id

pthread_t pthread_self(void);

1.7線程清理處理程式

void pthread_clean_push(void (*rtn)(void *),void *arg)

void pthread_clean_pop(iny excute)

清理函數的調用順序是由pthread_clean_push函數安排的。

它在下列幾種情況下執行:

1.調用pthread_exit時

2.響應取消請求時

3.用非零execute參數調用pthread_clean_pop時

如果execute參數為0，清理函數将不被調用。無論何種情況，pthread_clean_pop都将删除上次pthread_clean_push建立的清理處理程式。

如果線程使用return從例程傳回，那麼pthread_clean_push建立的清理處理程式不會被執行。

1.8 讀寫鎖：reader-writer locks

1.8.1  多個線程可以同時獲得讀鎖(reader-writer lock in read mode)，但是隻有一個線程能夠獲得寫鎖(reader-writer lock in write mode)

1.8.2 讀寫鎖有三種狀态

      (1).一個或者多個線程獲得讀鎖，其他線程無法獲得寫鎖

       (2)一個線程獲得寫鎖，其他線程無法獲得讀鎖

       (3).沒有線程獲得此讀寫鎖

1.8.3類型為pthread_rwlock_t

1.8.4建立和關閉讀寫鎖

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

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock：獲得讀鎖

pthread_rwlock_wrlock：獲得寫鎖

pthread_rwlock_unlock：釋放鎖，不管是讀鎖還是寫鎖都是調用此函數

注意具體 實作可能對同時獲得讀鎖的線程個數有限制，是以在調用 pthread_rwlock_rdlock的時候需要檢查錯誤值，而另外兩個pthread_rwlock_wrlock和 pthread_rwlock_unlock則一般不用檢查，如果我們代碼寫的正确的話。

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

  1.8.4  conditional variable：條件

a.     條件必須被mutex保護起來

b.     類型為：pthread_cond_t，必須被初始化為pthread_cond_initializer（用于靜态配置設定的條件，等價于pthread_cond_init(…, null)）或者調用pthread_cond_init

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 函數用于等待條件發生（=true）。pthread_cond_timedwait類似，隻是當等待逾時的時候傳回一個錯誤值etimedout。逾時 的時間用timespec結構指定。此外，兩個函數都需要傳入一個mutex用于保護條件

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結構定義如下：

struct timespec {

       time_t tv_sec;       /* seconds */

       long   tv_nsec;      /* nanoseconds */

};

注意timespec的時間是絕對時間而非相對時間，是以需要先調用gettimeofday函數獲得目前時間，再轉換成timespec結構，加上偏移量。

e.     有兩個函數用于通知線程條件被滿足（=true）：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

兩者的差別是前者會喚醒單個線程，而後者會喚醒多個線程。

1.9 (????????????????????????)

int pthread_detach(pthread_t tid);

線程或者是可彙合的 （joinable）或者是脫離的（detached）。當可彙合的線程終止時，其線程id和退出狀态将保留，直到另外一個線程調用 pthread_join。脫離的線程則像守護程序：當它終止時，所有的資源都釋放，我們不能等待它終止。如果一個線程需要知道另一個線程什麼時候終止， 最好保留第二個線程的可彙合性。pthread_detach函數将指定的線程變為脫離的。該函數通常被想脫離自己的線程調用，如：pthread_detach (pthread_self ( ));

1.10

線程安全：概念比較直覺。一般說來，一個函數被稱為線程安全的，當且僅當被多個并發線程反複調用時，它會一直産生正确的結果。

可重入：概念基本沒有比較正式的完整解釋，但是它比線程安全要求更嚴格。根據經驗，所謂“重入”，常見的情況是，程式執行到某個函數foo()時，收到信号，于是暫停目前正在執行的函數，轉到信号處理函數，而這個信号處理函數的執行過程中，又恰恰也會進入到剛剛執行的函數foo()，這樣便發生了所謂的重入。此時如果foo()能夠正确的運作，而且處理完成後，之前暫停的foo()也能夠正确運作，則說明它是可重入的。

線程安全的條件：

要 確定函數線程安全，主要需要考慮的是線程之間的共享變量。屬于同一程序的不同線程會共享程序記憶體空間中的全局區和堆，而私有的線程空間則主要包括棧和寄存 器。是以，對于同一程序的不同線程來說，每個線程的局部變量都是私有的，而全局變量、局部靜态變量、配置設定于堆的變量都是共享的。在對這些共享變量進行通路 時，如果要保證線程安全，則必須通過加鎖的方式。

可重入的判斷條件：

要確定函數可重入，需滿足一下幾個條件：

1、不在函數内部使用靜态或全局資料

2、不傳回靜态或全局資料，所有資料都由函數的調用者提供。

3、使用本地資料，或者通過制作全局資料的本地拷貝來保護全局資料。

4、不調用不可重入函數。

     可重入與線程安全并不等同，一般說來，可重入的函數一定是線程安全的，但反過來不一定成立。

比如：strtok函數是既不可重入的，也不是線程安全的；加鎖的strtok不是可重入的，但線程安全；而strtok_r既是可重入的，也是線程安全的。