Linux 操作系統(tǒng)下的多線程編程詳細解析發(fā)表時間:2007-06-07內(nèi)容來源:站長資訊收集整理作者:佚名線程（thread ）技術(shù)早在60年代就被提出，但真正應用多線程到操作系統(tǒng)中去，是在80年代

Linux 操作系統(tǒng)下的多線程編程詳細解析

發(fā)表時間:2007-06-07內(nèi)容來源:站長資訊收集整理作者:佚名

線程（thread ）技術(shù)早在60年代就被提出，但真正應用多線程到操作系統(tǒng)中去，是在80年代中期，solaris 是這方面的佼佼者。傳統(tǒng)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?，F(xiàn)在，多線程技術(shù)已經(jīng)被許多操作系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)儉" 的多任務操作方式。我們知道，在Linux 系統(tǒng)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(shù)據(jù)表來維護它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)統(tǒng)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(tǒng)上，這個數(shù)據(jù)可能會有較大的區(qū)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(shù)據(jù)空間，要進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。當然，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)點外，不和進程比較，多線程程序作為一種多任務、并發(fā)的工作方式，當然有以下的優(yōu)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(tǒng)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(shù)，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。

例如線程數(shù)目過多了；后者表示第二個參數(shù)代表的線程屬性值非法。創(chuàng)建線程成功后，新創(chuàng)建的線程則運行參數(shù)三和參數(shù)四確定的函數(shù)，原來的線程則繼續(xù)運行下一行代碼。

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 pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return));

第一個參數(shù)為被等待的線程標識符，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回值。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，當函數(shù)返回時，被等待線程的資源被收回。一個線程的結(jié)束有兩種途徑，一種是象我們上面的例子一樣，函數(shù)結(jié)束了，調(diào)用它的線程也就結(jié)束了；另一種方式是通過函數(shù)pthread_exit來實現(xiàn)。它的函數(shù)原型為：

extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__));

唯一的參數(shù)是函數(shù)的返回代碼，只要pthread_join中的第二個參數(shù)thread_return不是NULL ，這個值將被傳遞給thread_return。最后要說明的是，一個線程不能被多個線程等待，否則第一個接收到信號的線程成功返回，其余調(diào)用pthread_join的線程則返回錯誤代碼ESRCH 。

在這一節(jié)里，我們編寫了一個最簡單的線程，并掌握了最常用的三個函數(shù)pthread_create，pthread_join和pthread_exit。下面，我們來了解線程的一些常用屬性以及如何設置這些屬性。

修改線程的屬性

在上一節(jié)的例子里，我們用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建了一個線程，在這個線程中，我們使用了默認參數(shù)，即將該函數(shù)的第二個參數(shù)設為NULL 。的確，對大多數(shù)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(guān)屬性。

屬性結(jié)構(gòu)為pthread_attr_t，它同樣在頭文件/usr/include/pthread.h中定義，喜歡追

根問底的人可以自己去查看。屬性值不能直接設置，須使用相關(guān)函數(shù)進行操作，初始化的函數(shù)為pthread_attr_init，這個函數(shù)必須在pthread_create函數(shù)之前調(diào)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(yōu)先級。默認的屬性為非綁定、非分離、缺省1M 的堆棧、與父進程同樣級別的優(yōu)先級。

關(guān)于線程的綁定，牽涉到另外一個概念：輕進程（LWP ：Light Weight Process ）。輕進程可以理解為內(nèi)核線程，它位于用戶層和系統(tǒng)層之間。系統(tǒng)對線程資源的分配、對線程的控制是通過輕進程來實現(xiàn)的，一個輕進程可以控制一個或多個線程。默認狀況下，啟動多少輕進程、哪些輕進程來控制哪些線程是由系統(tǒng)來控制的，這種狀況即稱為非綁定的。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，這是因為CPU 時間片的調(diào)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(yōu)先級和調(diào)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(tài)的函數(shù)為pthread_attr_setscope，它有兩個參數(shù)，第一個是指向?qū)傩越Y(jié)構(gòu)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(chuàng)建了一個綁定的線程。

pthread_create返回。設置一段等待時間，是在多線程編程里常用的方法。但是注意不要使用諸如wait （）之類的函數(shù)，它們是使整個進程睡眠，并不能解決線程同步的問題。

另外一個可能常用的屬性是線程的優(yōu)先級，它存放在結(jié)構(gòu)sched_param中。用函數(shù)pthread_attr_getschedparam和函數(shù)pthread_attr_setschedparam進行存放，一般說來，我們總是先取優(yōu)先級，對取得的值修改后再存放回去。下面即是一段簡單的例子。 線程的數(shù)據(jù)處理

和進程相比，線程的最大優(yōu)點之一是數(shù)據(jù)的共享性，各個進程共享父進程處沿襲的數(shù)據(jù)段，可以方便的獲得、修改數(shù)據(jù)。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(shù)是不可重入的，

即同時不能運行一個函數(shù)的多個拷貝（除非使用不同的數(shù)據(jù)段）。在函數(shù)中聲明的靜態(tài)變量常常帶來問題，函數(shù)的返回值也會有問題。因為如果返回的是函數(shù)內(nèi)部靜態(tài)聲明的空間的地址，則在一個線程調(diào)用該函數(shù)得到地址后使用該地址指向的數(shù)據(jù)時，別的線程可能調(diào)用此函數(shù)并修改了這一段數(shù)據(jù)。在進程中共享的變量必須用關(guān)鍵字volatile 來定義，這是為了防止編譯器在優(yōu)化時（如gcc 中使用-OX 參數(shù)）改變它們的使用方式。為了保護變量，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。下面，我們就逐步介紹處理線程數(shù)據(jù)時的有關(guān)知識。

1、線程數(shù)據(jù)

在單線程的程序里，有兩種基本的數(shù)據(jù)：全局變量和局部變量。但在多線程程序里，還有第三種數(shù)據(jù)類型：線程數(shù)據(jù)（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局變量很象，在線程內(nèi)部，各個函數(shù)可以象使用全局變量一樣調(diào)用它，但它對線程外部的其它線程是不可見的。這種數(shù)據(jù)的必要性是顯而易見的。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(shù)都應該可以調(diào)用它；但它又不能是一個全局變量，否則在A 線程里輸出的很可能是B 線程的出錯信息。要實現(xiàn)諸如此類的變量，我們就必須使用線程數(shù)據(jù)。我們?yōu)槊總€線程數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個鍵，它和這個鍵相關(guān)聯(lián)，在各個線程里，都使用這個鍵來指代線程數(shù)據(jù)，但在不同的線程里，這個鍵代表的數(shù)據(jù)是不同的，在同一個線程里，它代表同樣的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

和線程數(shù)據(jù)相關(guān)的函數(shù)主要有4個：創(chuàng)建一個鍵；為一個鍵指定線程數(shù)據(jù)；從一個鍵讀取線程數(shù)據(jù)；刪除鍵。

創(chuàng)建鍵的函數(shù)原型為：

第一個參數(shù)為指向一個鍵值的指針，第二個參數(shù)指明了一個destructor 函數(shù)，如果這個參數(shù)不為空，那么當每個線程結(jié)束時，系統(tǒng)將調(diào)用這個函數(shù)來釋放綁定在這個鍵上的內(nèi)存塊。這個函數(shù)常和函數(shù)pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用，為了讓這個鍵只被創(chuàng)建一次。函數(shù)pthread_once聲明一個初始化函數(shù)，第一次調(diào)用pthread_once時它執(zhí)行這個函數(shù)，以后的調(diào)用將被它忽略。

在下面的例子中，我們創(chuàng)建一個鍵，并將它和某個數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。我們要定義一個函數(shù)

createWindow ，這個函數(shù)定義一個圖形窗口（數(shù)據(jù)類型為Fl_Window *，這是圖形界面開發(fā)工具FLTK 中的數(shù)據(jù)類型）。由于各個線程都會調(diào)用這個函數(shù)，所以我們使用線程數(shù)據(jù)。

這樣，在不同的線程中調(diào)用函數(shù)createMyWin ，都可以得到在線程內(nèi)部均可見的窗口變量，這個變量通過函數(shù)pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我們已經(jīng)使用了函數(shù)pthread_setspecific來將線程數(shù)據(jù)和一個鍵綁定在一起。這兩個函數(shù)的原型如下：

這兩個函數(shù)的參數(shù)意義和使用方法是顯而易見的。要注意的是，用pthread_setspecific為一個鍵指定新的線程數(shù)據(jù)時，必須自己釋放原有的線程數(shù)據(jù)以回收空間。這個過程函數(shù)pthread_key_delete用來刪除一個鍵，這個鍵占用的內(nèi)存將被釋放，但同樣要注意的是，它只釋放鍵占用的內(nèi)存，并不釋放該鍵關(guān)聯(lián)的線程數(shù)據(jù)所占用的內(nèi)存資源，而且它也不會觸發(fā)函數(shù)pthread_key_create中定義的destructor 函數(shù)。線程數(shù)據(jù)的釋放必須在釋放鍵之前完成。

2、互斥鎖

互斥鎖用來保證一段時間內(nèi)只有一個線程在執(zhí)行一段代碼。必要性顯而易見：假設各個線程向同一個文件順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，最后得到的結(jié)果一定是災難性的。

這里聲明了互斥鎖變量mutex ，結(jié)構(gòu)pthread_mutex_t為不公開的數(shù)據(jù)類型，其中包含一個系統(tǒng)分配的屬性對象。函數(shù)pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL 參數(shù)表明使用默認屬性。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調(diào)用函數(shù)pthread_mutexattr_init。函數(shù)pthread_mutexattr_setpshared和函數(shù)pthread_mutexattr_settype用來設置互斥鎖屬性。前一個函數(shù)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，后者用于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 。后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，選用最后一個默認屬性。

pthread_mutex_lock聲明開始用互斥鎖上鎖，此后的代碼直至調(diào)用pthread_mutex_unlock為止，均被上鎖，即同一時間只能被一個線程調(diào)用執(zhí)行。當一個線程執(zhí)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，即程序?qū)⒌却搅硪粋€線程釋放此互斥鎖。在上面的例子中，我們使用了pthread_delay_np函數(shù)，讓線程睡眠一段時間，就是為了防止一個線程始終占據(jù)此函數(shù)。

上面的例子非常簡單，就不再介紹了，需要提出的是在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現(xiàn)死鎖：兩個線程試圖同時占用兩個資源，并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(xiàn)了死鎖。此時我們可以使用函數(shù)pthread_mutex_trylock，它是函數(shù)pthread_mutex_lock的非阻塞版本，當它發(fā)現(xiàn)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

前一節(jié)中我們講述了如何使用互斥鎖來實現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)的共享和通信，互斥鎖一個明顯的缺點是它只有兩種狀態(tài)：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(fā)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并等待條件發(fā)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并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(jié)構(gòu)為pthread_cond_t，函數(shù)pthread_cond_init（）被用來初始化一個條件變量。它的原型為：

extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));

其中cond 是一個指向結(jié)構(gòu)pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個指向結(jié)構(gòu)pthread_condattr_t的指針。結(jié)構(gòu)pthread_condattr_t是條件變量的屬性結(jié)構(gòu)，和互斥鎖一樣我們可以用它來設置條件變量是進程內(nèi)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(nèi)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。釋放一個條件變量的函數(shù)為pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。

函數(shù)pthread_cond_wait（）使線程阻塞在一個條件變量上。它的函數(shù)原型為：

extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,pthread_mutex_t *__mutex));

線程解開mutex 指向的鎖并被條件變量cond 阻塞。線程可以被函數(shù)pthread_cond_signal和函數(shù)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，例如一個變量是否為0等等，這一點我們從后面的例子中可以看到。線程被喚醒后，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里，被等待被下一次喚醒。這個過程一般用while 語句實現(xiàn)。

另一個用來阻塞線程的函數(shù)是pthread_cond_timedwait（），它的原型為：

extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,pthread_mutex_t *__mutex, __const struct timespec *__abstime));