線程分類
線程按照其調(diào)度者可以分為用戶級(jí)線程和核心級(jí)線程兩種。
（1）用戶級(jí)線程
用戶級(jí)線程主要解決的是上下文切換的問(wèn)題，它的調(diào)度算法和調(diào)度過(guò)程全部由用戶自行選擇決定，在運(yùn)行時(shí)不需要特定的內(nèi)核支持。在這里，操作系統(tǒng)往往會(huì)提供一個(gè)用戶空間的線程庫(kù)，該線程庫(kù)提供了線程的創(chuàng)建、調(diào)度、撤銷等功能，而內(nèi)核仍然僅對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理。如果一個(gè)進(jìn)程中的某一個(gè)線程調(diào)用了一個(gè)阻塞的系統(tǒng)調(diào)用，那么該進(jìn)程包括該進(jìn)程中的其他所有線程也同時(shí)被阻塞。這種用戶級(jí)線程的主要缺點(diǎn)是在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程的調(diào)度中無(wú)法發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì)。
（2）核心級(jí)線程
這種線程允許不同進(jìn)程中的線程按照同一相對(duì)優(yōu)先調(diào)度方法進(jìn)行調(diào)度，這樣就可以發(fā)揮多處理器的并發(fā)優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都采用用戶級(jí)線程與核心級(jí)線程并存的方法。一個(gè)用戶級(jí)線程可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)核心級(jí)線程，也就是“一對(duì)一”或“多對(duì)一”模型。這樣既可滿足多處理機(jī)系統(tǒng)的需要，也可以最大限度地減少調(diào)度開銷。
Linux的線程實(shí)現(xiàn)是在核外進(jìn)行的，核內(nèi)提供的是創(chuàng)建進(jìn)程的接口do_fork()。內(nèi)核提供了兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用clone()和fork()，最終都用不同的參數(shù)調(diào)用do_fork()核內(nèi)API。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)線程，沒(méi)有核心對(duì)多進(jìn)程（其實(shí)是輕量級(jí)進(jìn)程）共享數(shù)據(jù)段的支持是不行的，因此，do_fork()提供了很多參數(shù)，包括CLONE_VM（共享內(nèi)存空間）、CLONE_FS（共享文件系統(tǒng)信息）、 CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號(hào)句柄表）和CLONE_PID（共享進(jìn)程ID，僅對(duì)核內(nèi)進(jìn)程，即0號(hào)進(jìn)程有效）。當(dāng)使用fork系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核調(diào)用do_fork()不使用任何共享屬性，進(jìn)程擁有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，而使用 pthread_create()來(lái)創(chuàng)建線程時(shí)，則最終設(shè)置了所有這些屬性來(lái)調(diào)用__clone()，而這些參數(shù)又全部傳給核內(nèi)的do_fork()，從而創(chuàng)建的“進(jìn)程”擁有共享的運(yùn)行環(huán)境，只有棧是獨(dú)立的，由__clone()傳入。
Linux線程在核內(nèi)是以輕量級(jí)進(jìn)程的形式存在的，擁有獨(dú)立的進(jìn)程表項(xiàng)，而所有的創(chuàng)建、同步、刪除等操作都在核外pthread庫(kù)中進(jìn)行。pthread 庫(kù)使用一個(gè)管理線程（__pthread_manager()，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立且唯一）來(lái)管理線程的創(chuàng)建和終止，為線程分配線程ID，發(fā)送線程相關(guān)的信號(hào)（比如Cancel），而主線程（pthread_create()）的調(diào)用者則通過(guò)管道將請(qǐng)求信息傳給管理線程。
主要函數(shù)說(shuō)明
1．線程的創(chuàng)建和退出
pthread_create 線程創(chuàng)建函數(shù)
int pthread_create (pthread_t * thread_id,__const pthread_attr_t * __attr,void *(*__start_routine) (void *),void *__restrict __arg);
線程創(chuàng)建函數(shù)第一個(gè)參數(shù)為指向線程標(biāo)識(shí)符的指針，第二個(gè)參數(shù)用來(lái)設(shè)置線程屬性，第三個(gè)參數(shù)是線程運(yùn)行函數(shù)的起始地址，最后一個(gè)參數(shù)是運(yùn)行函數(shù)的參數(shù)。這里，我們的函數(shù)thread 不需要參數(shù)，所以最后一個(gè)參數(shù)設(shè)為空指針。第二個(gè)參數(shù)我們也設(shè)為空指針，這樣將生成默認(rèn)屬性的線程。當(dāng)創(chuàng)建線程成功時(shí)，函數(shù)返回0，若不為0 則說(shuō)明創(chuàng)建線程失敗，常見(jiàn)的錯(cuò)誤返回代碼為EAGAIN 和EINVAL。前者表示系統(tǒng)限制創(chuàng)建新的線程，例如線程數(shù)目過(guò)多了；后者表示第二個(gè)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(yùn)行參數(shù)三和參數(shù)四確定的函數(shù)，原來(lái)的線程則繼續(xù)運(yùn)行下一行代碼。
pthread_join 函數(shù)，來(lái)等待一個(gè)線程的結(jié)束。
函數(shù)原型為：int pthread_join (pthread_t __th, void **__thread_return)
第一個(gè)參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識(shí)符，第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)用戶定義的指針，它可以用來(lái)存儲(chǔ)被等待線程的返回值。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)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(shí)，被等待線程的資源被收回。線程只能被一個(gè)線程等待終止,并且應(yīng)處于joinable狀態(tài)(非detached)。
pthread_exit 函數(shù)
一個(gè)線程的結(jié)束有兩種途徑，一種是線程運(yùn)行的函數(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(guò)函數(shù)pthread_exit 來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的函數(shù)原型為：void pthread_exit (void *__retval)唯一的參數(shù)是函數(shù)的返回代碼，只要pthread_join 中的第二個(gè)參數(shù)thread_return 不是NULL，這個(gè)值將被傳遞給thread_return。最后要說(shuō)明的是，一個(gè)線程不能被多個(gè)線程等待，否則第一個(gè)接收到信號(hào)的線程成功返回，其余調(diào)用pthread_join 的線程則返回錯(cuò)誤代碼ESRCH。
2．線程屬性
pthread_create函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)線程的屬性。將該值設(shè)為NULL，也就是采用默認(rèn)屬性，線程的多項(xiàng)屬性都是可以更改的。這些屬性主要包括綁定屬性、分離屬性、堆棧地址、堆棧大小、優(yōu)先級(jí)。其中系統(tǒng)默認(rèn)的屬性為非綁定、非分離、缺省1M 的堆棧、與父進(jìn)程同樣級(jí)別的優(yōu)先級(jí)。下面首先對(duì)綁定屬性和分離屬性的基本概念進(jìn)行講解。
綁定屬性：Linux中采用“一對(duì)一”的線程機(jī)制，也就是一個(gè)用戶線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核線程。綁定屬性就是指一個(gè)用戶線程固定地分配給一個(gè)內(nèi)核線程，因?yàn)镃PU時(shí)間片的調(diào)度是面向內(nèi)核線程 （也就是輕量級(jí)進(jìn)程）的，因此具有綁定屬性的線程可以保證在需要的時(shí)候總有一個(gè)內(nèi)核線程與之對(duì)應(yīng)。而與之相對(duì)的非綁定屬性就是指用戶線程和內(nèi)核線程的關(guān)系不是始終固定的，而是由系統(tǒng)來(lái)控制分配的。
分離屬性：分離屬性是用來(lái)決定一個(gè)線程以什么樣的方式來(lái)終止自己。在非分離情況下，當(dāng)一個(gè)線程結(jié)束時(shí)，它所占用的系統(tǒng)資源并沒(méi)有被釋放，也就是沒(méi)有真正的終止。只有當(dāng)pthread_join()函數(shù)返回時(shí)，創(chuàng)建的線程才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源。而在分離屬性情況下，一個(gè)線程結(jié)束時(shí)立即釋放它所占有的系統(tǒng)資源。
這里要注意的一點(diǎn)是，如果設(shè)置一個(gè)線程的分離屬性，而這個(gè)線程運(yùn)行又非?？?，那么它很可能在pthread_create 函數(shù)返回之前就終止了，它終止以后就可能將線程號(hào)和系統(tǒng)資源移交給其他的線程使用，這時(shí)調(diào)用pthread_create 的線程就得到了錯(cuò)誤的線程號(hào)。
設(shè)置綁定屬性：
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr)
int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope)
int pthread_attr_getscope(pthread_attr_t *tattr, int *scope)
scope：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM：綁定，此線程與系統(tǒng)中所有的線程競(jìng)爭(zhēng) PTHREAD_SCOPE_PROCESS：非綁定，此線程與進(jìn)程中的其他線程競(jìng)爭(zhēng)
設(shè)置分離屬性：
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate)
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *tattr,int *detachstate)
detachstate PTHREAD_CREATE_DETACHED：分離 PTHREAD _CREATE_JOINABLE：非分離
設(shè)置調(diào)度策略：
int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t * tattr, int policy)
int pthread_attr_getschedpolicy(pthread_attr_t * tattr, int *policy)
policy SCHED_FIFO：先入先出 SCHED_RR：循環(huán) SCHED_OTHER：實(shí)現(xiàn)定義的方法
設(shè)置優(yōu)先級(jí)：
int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param)
int pthread_attr_getschedparam (pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param)
3．線程訪問(wèn)控制
1）互斥鎖（mutex）
通過(guò)鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)線程間的同步。同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)關(guān)鍵部分的代碼。
1 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
2 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
3 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
4 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
(1)先初始化鎖init()或靜態(tài)賦值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER
(2)加鎖,lock,trylock,lock阻塞等待鎖,trylock立即返回EBUSY
(3)解鎖,unlock需滿足是加鎖狀態(tài),且由加鎖線程解鎖
(4)清除鎖,destroy(此時(shí)鎖必需unlock,否則返回EBUSY)
mutex 分為遞歸(recursive) 和非遞歸(non-recursive)兩種，這是POSIX 的叫法，另外的名字是可重入(Reentrant) 與非可重入。這兩種mutex 作為線程間(inter-thread) 的同步工具時(shí)沒(méi)有區(qū)別，它們的惟一區(qū)別在于：同一個(gè)線程可以重復(fù)對(duì)recursive mutex 加鎖，但是不能重復(fù)對(duì)non-recursive mutex 加鎖。
首選非遞歸mutex，絕對(duì)不是為了性能，而是為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。non-recursive 和recursive 的性能差別其實(shí)不大，因?yàn)樯儆靡粋€(gè)計(jì)數(shù)器，前者略快一點(diǎn)點(diǎn)而已。在同一個(gè)線程里多次對(duì)non-recursive mutex 加鎖會(huì)立刻導(dǎo)致死鎖，我認(rèn)為這是它的優(yōu)點(diǎn)，能幫助我們思考代碼對(duì)鎖的期求，并且及早（在編碼階段）發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)recursive mutex 使用起來(lái)要方便一些，因?yàn)椴挥每紤]一個(gè)線程會(huì)自己把自己給鎖死了，我猜這也是Java 和Windows 默認(rèn)提供recursive mutex 的原因。（Java 語(yǔ)言自帶的intrinsic lock 是可重入的，它的concurrent 庫(kù)里提供ReentrantLock，Windows的CRITICAL_SECTION 也是可重入的。似乎它們都不提供輕量級(jí)的non-recursive mutex。）
2）條件變量（cond）
利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制。
1 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
2 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
3 int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex,const timespec *abstime);
4 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
5 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
6 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有線程的阻塞
(1)初始化. init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER;屬性置為NULL
(2)等待條件成立. pthread_cond_wait,pthread_cond_timedwait.
wait()釋放鎖,并阻塞等待條件變量為真
timedwait()設(shè)置等待時(shí)間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個(gè)線程wait)
(3)激活條件變量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待線程)
(4)清除條件變量:destroy; 無(wú)線程等待,否則返回EBUSY
這兩個(gè)函數(shù)一定要在mutex的鎖定區(qū)域內(nèi)使用。
調(diào)用 pthread_cond_signal() 釋放被條件阻塞的線程時(shí)，如果沒(méi)有任何線程基于條件變量阻塞，則調(diào)用pthread_cond_signal()不起作用。而對(duì)于 Windows，當(dāng)調(diào)用 SetEvent 觸發(fā) Auto-reset 的 Event 條件時(shí)，如果沒(méi)有被條件阻塞的線程，那么此函數(shù)仍然起作用，條件變量會(huì)處在觸發(fā)狀態(tài)。
Linux下生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題（使用互斥鎖和條件變量）:
#define BUFFER_SIZE 16
struct prodcons
{
int buffer[BUFFER_SIZE];
pthread_mutex_t lock; //mutex ensuring exclusive access to buffer
int readpos,writepos; //position for reading and writing
pthread_cond_t notempty; //signal when buffer is not empty
pthread_cond_t notfull; //signal when buffer is not full
};
//initialize a buffer
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;
}
//store an integer in the buffer
void put(struct prodcons* b, int data)
{
pthread_mutex_lock(&b->lock);
//wait until buffer is not full
while((b->writepos+1)%BUFFER_SIZE == b->readpos)
{
printf("wait for not full/n");
pthread_cond_wait(&b->notfull,&b->lock);
}
b->buffer[b->writepos] = data;
b->writepos++;
b->writepos %= BUFFER_SIZE;
pthread_cond_signal(&b->notempty); //signal buffer is not empty
pthread_mutex_unlock(&b->lock);
}
//read and remove an integer from the buffer
int get(struct prodcons* b)
{
int data;
pthread_mutex_lock(&b->lock);
//wait until buffer is not empty
while(b->writepos == b->readpos)
{
printf("wait for not empty/n");
pthread_cond_wait(&b->notempty,&b->lock);
}
data=b->buffer[b->readpos];
b->readpos++;
b->readpos %= BUFFER_SIZE;
pthread_cond_signal(&b->notfull); //signal buffer is not full
pthread_mutex_unlock(&b->lock);
return data;
}
#define OVER -1
struct prodcons buffer;
void * producer(void * data)
{
int n;
for(n=0; n<50; ++n)
{
printf("put-->%d/n",n);
put(&buffer,n);
}
put(&buffer,OVER);
printf("producer stopped/n");
return NULL;
}
void * consumer(void * data)
{
int n;
while(1)
{
int d = get(&buffer);
if(d == OVER) break;
printf("get-->%d/n",d);
}
printf("consumer stopped/n");
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tha,thb;
void * retval;
init(&buffer);
pthread_creare(&tha,NULL,producer,0);
pthread_creare(&thb,NULL,consumer,0);
pthread_join(tha,&retval);
pthread_join(thb,&retval);
return 0;
}
3）信號(hào)量
如同進(jìn)程一樣，線程也可以通過(guò)信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，雖然是輕量級(jí)的。
信號(hào)量函數(shù)的名字都以"sem_"打頭。線程使用的基本信號(hào)量函數(shù)有四個(gè)。
兩個(gè)原子操作函數(shù)：這兩個(gè)函數(shù)都要用一個(gè)由sem_init調(diào)用初始化的信號(hào)量對(duì)象的指針做參數(shù)。
int sem_destroy(sem_t *sem);
這個(gè)函數(shù)的作用是再我們用完信號(hào)量后都它進(jìn)行清理。歸還自己占有的一切資源。
用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者：
這里使用4個(gè)信號(hào)量，其中兩個(gè)信號(hào)量occupied和empty分別用于解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程之間的同步問(wèn)題，pmut用于多個(gè)生產(chǎn)者之間互斥問(wèn)題，cmut是用于多個(gè)消費(fèi)者之間互斥問(wèn)題。其中empty初始化為N（有界緩區(qū)的空間元數(shù)），occupied初始化為0，pmut和cmut初始化為1。
參考代碼：
typedef struct
{
char buf[BSIZE];
sem_t occupied;
sem_t empty;
int nextin;
int nextout;
sem_t pmut;
sem_t cmut;
}buffer_t;
buffer_t buffer;
void init(buffer_t * b)
{
sem_init(&b->occupied, 0, 0);
sem_init(&b->empty,0, BSIZE);
sem_init(&b->pmut, 0, 1);
sem_init(&b->cmut, 0, 1);
b->nextin = b->nextout = 0;
}
void producer(buffer_t *b, char item)
{
sem_wait(&b->empty);
sem_wait(&b->pmut);
b->buf[b->nextin] = item;
b->nextin++;
b->nextin %= BSIZE;
sem_post(&b->pmut);
sem_post(&b->occupied);
}
char consumer(buffer_t *b)
{
char item;
sem_wait(&b->occupied);
sem_wait(&b->cmut);
item = b->buf[b->nextout];
b->nextout++;
b->nextout %= BSIZE;
sem_post(&b->cmut);
sem_post(&b->empty);
return item;
}
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