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Linux下多線程的應(yīng)用

一、創(chuàng)建線程

函數(shù)簡介

phread_create是UNIX環(huán)境創(chuàng)建線程函數(shù)

頭文件

#include<pthread.h>

函數(shù)聲明

int pthread_create(pthread_t *restrict tidp
                const pthread_attr_t *restrict_addr,
                void *(start_rtn)(void *),
                void *restrict arg);

返回值

若成功則返回0，否則返回出錯編號

返回成功時，由tidp指向的內(nèi)存單元被設(shè)置為新創(chuàng)建線程的線程ID。attr參數(shù)用于制定各種不同的線程屬性。新創(chuàng)建的線程從start_rtn函數(shù)的地址開始運行，該函數(shù)只有一個空指針參數(shù)arg,如果需要像start_rtn函數(shù)傳遞的參數(shù)不止一個，那么需要把這些參數(shù)放到一個結(jié)構(gòu)體中，然后把這個結(jié)構(gòu)的地址作為arg的參數(shù)傳入。

linux下用c開發(fā)多線程程序，linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口，稱為pthread。

參數(shù)

第一參數(shù)為指向線程標(biāo)識符的指針
        第二個參數(shù)用來設(shè)置線程屬性
        第三個參數(shù)是線程運行函數(shù)的起始地址
        后一個參數(shù)是運行函數(shù)的參數(shù)

另外，在編譯時注意加上-lpthread參數(shù)，以調(diào)用靜態(tài)連接庫。因為pthread并非linux系統(tǒng)的默認(rèn)庫。

二、pthread_join

函數(shù)pthread_join用來等待一個線程的結(jié)束。函數(shù)原型為：

extern int phread_join (pthead_t __th,void **_thread_return);

第一個參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識符。第二個參數(shù)為一個用戶定義的指針，它可以用來存儲被等待線程的返會值。這個函數(shù)是一個線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時，被等待線程的資源被收回。如果執(zhí)行成功，將返回0，如果失敗則返回一個錯誤號。

在linux中，默認(rèn)情況下是在一個線程被創(chuàng)建后，必須使用此函數(shù)對創(chuàng)建的線程進(jìn)行資源回收，但是可以設(shè)置Threads attributes來設(shè)置當(dāng)一個線程結(jié)束時，直接回收此線程所占用的系統(tǒng)資源。

三、 互斥鎖pthread_mutex_t的使用

1.兩種方法創(chuàng)建互斥鎖，靜態(tài)方式和動態(tài)方式。

POXIX定義了一個PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來靜態(tài)初始化互斥鎖，方法如下：phread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITALIZER;在LinuxThreads實現(xiàn)中，pthread_mutex_t是一個結(jié)構(gòu)，而PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER則是一個結(jié)構(gòu)常量。

動態(tài)方式是采用pthread_mutex_init()函數(shù)來初始化互斥鎖，API定義如下：

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *mutexattr)其中mutexattr用于指定互斥屬性(見下),如果為NULL則使用缺省屬性。

pthread_mutex_destroy()用于注銷一個互斥鎖，API定義如下：int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex) 銷毀一個互斥鎖即意味著釋放它所占用的資源，且要求鎖當(dāng)前處于開發(fā)狀態(tài)。由于在linux中，互斥鎖并不占用任何資源，因此LinuxThreads中的pthread_mutex_destroy()除了檢查鎖狀態(tài)以外(鎖定狀態(tài)則返回EBUSY)沒有其他動作。

2.互斥鎖屬性

互斥鎖的屬性在創(chuàng)建鎖的時候指定，在LinuxThreads實現(xiàn)中僅有一個鎖類型屬性，不通的鎖類型試圖對一個已經(jīng)被鎖定的互斥鎖加鎖時表現(xiàn)不通。當(dāng)前(glibc 2.2.3,linuxthreads0.9)有四個值可供選擇：

*PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，這是缺省值，也就是普通鎖。當(dāng)一個線程加鎖以后，其余請求鎖的線程將形成一個等待隊列，并在解鎖后按優(yōu)先級獲得鎖。這種鎖策略保證了資源分配的公平性。

*PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套鎖，允許同一個線程對同一個鎖成功獲得多次，并通過多次unlock解鎖。如果是不同線程請求，則在加鎖線程解鎖時重新競爭。

*PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，檢錯鎖，如果同一個線程請求同一個鎖，則返回EDEADLK,否則與PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP類型動作相同。這樣就保證當(dāng)步允許多次加鎖 時不會出現(xiàn)簡單情況下的死鎖。

*PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP,適應(yīng)鎖，動作簡單的鎖類型，僅等待解鎖后重新競爭。

3.鎖操作

鎖操作主要包括加鎖pthread_mutex_lock()、解鎖pthread_mutex_unlock()和測試加鎖pthread_mutex_trylock()三個，不論哪種類型的鎖，都不可能被兩個不同的線程時得到，而必須等待解鎖。對于普通鎖和適應(yīng)鎖類型，解鎖者可以是同進(jìn)程內(nèi)任何線程；而檢錯鎖則必須由加鎖者解鎖才有效，否則EPERM;對于嵌套鎖，文檔和實現(xiàn)要求必須由加鎖者解鎖，但試驗結(jié)果表明并沒有這種限制，這個不同目前還沒有得到解釋。在同一進(jìn)程中的線程，如果加鎖后沒有解鎖，則任何其他線程都無法在獲得鎖。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
        int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
        int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

phread_mutex_trylock()語義與pthread_mutex_lock()類似，不同的是在鎖已經(jīng)被占用時返回EBUSY而不是掛起等待。

四、使用條件變量提高效率

如果線程正在等待某個特定條件發(fā)生，它應(yīng)該如何處理這種情況？它可以重復(fù)對互斥對象鎖定和解鎖，每次都會檢查共享數(shù)據(jù)結(jié),以查找某個值。但這是在浪費時間和資源，而且這種繁忙查詢的效率非常低。解決這個問題的佳方法是使用pthread_cond_wait()調(diào)用來等待特殊條件發(fā)生。

條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括連個動作：一個線程等待"條件變量的條件成立"而掛起；另一個線程使"條件成立"(給出條件成立信號)。為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個互斥鎖結(jié)合在一起。

1.創(chuàng)建和注銷

條件變量和互斥鎖一樣，都有靜態(tài)、動態(tài)兩種創(chuàng)建方式，靜態(tài)方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

動態(tài)方式調(diào)用pthread_cond_init()函數(shù),API定義如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);

盡管POSIX標(biāo)準(zhǔn)中為條件變量定義了屬性，但在LinuxThreads中沒有實現(xiàn)，因此cond_attr值通常為NULL,且被忽略。

注銷一個條件變量需要調(diào)用pthread_cond_destroy(),只有在沒有線程在該條件變量上等待的時候才能注銷這個條件變量，否則返回EBUSY。因為Linux實現(xiàn)的條件變量沒有分配什么資源，所以注銷動作只包括檢查是否有等待線程。API定下如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

2.等待和激發(fā)

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex)
        int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex,const struct timespec *abstime)

等待條件有兩種方式：無條件等待pthread_cond_wait()和計時等待pthread_cond_timedwait(),其中計時等待如果在給定時刻前條件沒有滿足，則返回ETIMEOUT,結(jié)束等待，其中abstime以與time()系統(tǒng)調(diào)用相同意義的絕對時間形式出現(xiàn)，0表示格林時間1970年1月1日0時0分0秒。

無論哪種等待方式，都必須和一個互斥鎖配合，以防止多個線程同時請求pthread_cond_wait()(或pthread_cond_timedwait(),下同)的競爭條件。mutex互斥鎖必須是普通鎖(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者適應(yīng)鎖(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP)，且在調(diào)用pthread_cond_wait()前必須給本線程加鎖(pthread_mutex_lock()),而在更新條件等待隊列以前，mutex保持鎖定狀態(tài)，并在線程掛起進(jìn)入等待前解鎖。在條件滿足從而離開pthread_cond_wait()之前，mutex將被重新加鎖，以與進(jìn)入pthread_cond_wait()前的加鎖動作對應(yīng)。

激發(fā)條件有兩種形式，pthread_cond_signal()激活一個等待該條件的線程，存在多個等待線程時按入隊順序激活其中一個；而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程。