《Unix環(huán)境高級編程》讀書筆記第11章-線程

2024-06-28 13:24:24

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《Unix環(huán)境高級編程》讀書筆記第11章-線程1. 引言

了解如何使用多個控制線程在單進程環(huán)境中執(zhí)行多個任務(wù)。
不管在什么情況下，只要單個資源需要在多個用戶鍵共享，就必須處理一致性問題。

2. 線程概念

典型的Unix進程可以看成只有一個控制線程：一個進程在某一時刻只能做一件事情。
多線程帶來的好處：
1. 通過為每種事件類型分配單獨的處理線程，可以簡化處理異步事件的代碼。每個線程在進行事件處理時可以采用同步編程模式。
2. 多個進程必須使用操作系統(tǒng)提供的復(fù)制機制才能實現(xiàn)內(nèi)存和文件描述符的共享。而多個線程自動地可以訪問相同的存儲空間和文件描述符。
3. 有些問題可以分解從而提高整個程序的吞吐量。將原來串行化執(zhí)行的任務(wù)變成交叉進行，當然，這些任務(wù)必須相互獨立、互不依賴。
4. 交互的程序同樣可以通過使用多線程來改善響應(yīng)時間，多線程可以把程序中處理用戶輸入輸出的部分與其他部分分開。
處理器的數(shù)量并不影響程序結(jié)構(gòu)，所以不管處理器的個數(shù)多少，程序都可以通過使用線程得以簡化。而且，即使多線程程序在串行化任務(wù)時不得不阻塞，在某些線程在阻塞的時候還有另外一些線程可以運行，所以多線程程序在單處理器上運行還是可以改善響應(yīng)時間和吞吐量。
我們討論的線程接口來自POSIX.1-2001，稱之為pthread。功能測試宏是_POSIX_THREADS，也可以使用_SC_THREADS常數(shù)調(diào)用sysconf函數(shù)。

3. 線程標識

進程ID在整個系統(tǒng)中是唯一的。而線程ID只有在它所屬的進程上下文中才有意義。
線程ID使用數(shù)據(jù)類型pthread_t表示，可以用一個結(jié)構(gòu)來代表pthread_t，故須使用下面的函數(shù)來對兩個線程ID進行比較

#include <pthread.h>int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2); Returns: nonzero if equal, 0 otherwise

通過pthread_self函數(shù)獲得自身的線程ID

#include <pthread.h>pthread_t pthread_self(void); Returns: the thread ID of the calling thread4. 線程創(chuàng)建

在POSIX線程的情況下，程序開始運行時，它也是以單進程中的單個控制線程啟動的。在創(chuàng)建多個控制線程之前，程序的行為與傳統(tǒng)的進程并沒有什么區(qū)別。
通過調(diào)用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建新的線程

#include <pthread.h>

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

Returns: 0 if OK, error number on failure

新創(chuàng)建線程的線程ID會設(shè)置到tidp指向的內(nèi)存單元中
atrr參數(shù)用于定制各種不同的線程屬性。直NULL時，創(chuàng)建一個具有默認屬性的線程
新創(chuàng)建的線程從start_rtn函數(shù)的地址開始運行，該函數(shù)只有一個無類型指針參數(shù)arg。故如果需要向start_rtn函數(shù)傳遞的參數(shù)有一個以上，需要把這些參數(shù)放到一個結(jié)構(gòu)中，傳遞該結(jié)構(gòu)的地址
線程創(chuàng)建時并不能保證哪個線程先運行：是新創(chuàng)建的線程，還是調(diào)用線程。
新創(chuàng)建的線程可以訪問進程的地址空間，并且繼承調(diào)用線程的浮點環(huán)境和信號屏蔽字，但是該線程的掛起信號集會被清除，即被原線程阻塞之后收到的信號集不會被新線程繼承。
注意：pthread函數(shù)在調(diào)用失敗時通常會返回錯誤碼，它們并不像其他的POSIX函數(shù)一樣設(shè)置errno。每個線程都提供errno的副本，這只是為了與使用errno的現(xiàn)有函數(shù)兼容。

5. 線程終止

如果進程中的任意線程調(diào)用了exit、_Exit、_exit，那么整個進程就會終止
如果默認的動作是終止進程，那么，發(fā)送到某個線程的信號就會終止整個進程
單個線程可以通過3種方式退出，而不終止整個進程
1. 線程可以簡單地從啟動例程中返回，返回值是線程的退出碼
2. 線程可以被同一進程中的其他線程取消
3. 線程調(diào)用pthread_exit

#include <pthread.h>void pthread_exit(void *rval_ptr);#include <pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr); Returns: 0 if OK, error number on failure

進程中的其他進程可以通過調(diào)用pthread_join函數(shù)訪問到pthread_exit函數(shù)的指針參數(shù)rval_ptr
調(diào)用線程將一直阻塞，直到指定的線程調(diào)用pthread_exit、從啟動例程中返回或者被取消。
1. 如果線程從啟動例程中返回，rval_ptr包含返回碼
2. 如果線程被取消，由rval_ptr指定的內(nèi)存單元就設(shè)置為PTHREAD_CANCELED
3. 如果線程調(diào)用pthread_exit，rval_ptr指向的內(nèi)存單元作為返回值傳遞給調(diào)用pthread_join函數(shù)的其他線程
線程可以通過調(diào)用pthread_cancel函數(shù)來請求取消同一進程中的其他線程

#include <pthread.h>int pthread_cancel(pthread_t tid); Returns: 0 if OK, error number on failure

在默認情況下，pthread_cancel函數(shù)會使得由tid標識的線程的行為表現(xiàn)為如同調(diào)用了參數(shù)為PTHREAD_CANCELED的pthread_exit函數(shù)。但是，線程可以選擇忽略取消或控制如何被取消。
注意：pthread_cancel并不等待線程終止，它僅僅提出請求。

#include <pthread.h>void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);void pthread_cleanup_pop(int execute);

線程可以安排它退出時需要調(diào)用的函數(shù)，類似于進程的atexit函數(shù)。這樣的函數(shù)稱為線程清理處理程序。
一個線程可以建立多個清理處理程序。處理程序記錄在棧中，執(zhí)行順序與注冊順序相反。
當線程執(zhí)行以下動作時，由pthread_cleanup_push函數(shù)安排的清理函數(shù)rtn以單個參數(shù)arg被調(diào)用：
1. 調(diào)用pthread_exit時
2. 響應(yīng)取消請求時
3. 用非零execute參數(shù)調(diào)用pthread_cleanup_pop時（以0調(diào)用pthread_cleanup_pop函數(shù)時，清理函數(shù)不被調(diào)用）
這些函數(shù)有一個限制，因其可以實現(xiàn)為宏，故必須在與現(xiàn)場相同的作用于中以匹配對的形式使用

進程和線程原語的對比
默認情況下，線程的終止狀態(tài)會保存直到對該線程調(diào)用pthread_join。如果線程已經(jīng)被分離，線程的底層存儲資源可以在線程終止時立即被收回。在線程被分離后，不能用pthread_join函數(shù)等待它的終止狀態(tài)，調(diào)用該函數(shù)會產(chǎn)生未定義行為。
可以調(diào)用函數(shù)pthread_detach分離線程

#include <pthread.h>int pthread_detach(pthread_t tid); Returns: 0 if OK, error number on failure

可以通過修改傳給函數(shù)pthread_create的線程屬性，創(chuàng)建一個已處于分離狀態(tài)的線程。

6. 線程同步

當多個控制線程共享相同的內(nèi)存時，需要確保每個線程看到一致的數(shù)據(jù)視圖。故當一個線程可以修改的變量，其他線程也可以讀取或修改時，需要對這些線程進行同步，確保它們在訪問變量的存儲內(nèi)容時不會訪問到無效的值。
在變量修改時間多于一個存儲器訪問周期的處理器結(jié)構(gòu)中，當存儲器讀與存儲器寫這兩個周期交叉時，這種不一致就會出現(xiàn)。
兩個或多個線程試圖在同一時間修改同一變量時，也需要進行同步。考慮變量增量操作的情況：

5個基本的同步機制：互斥量、讀寫鎖、條件變量、自旋鎖、屏障

6.1 互斥量

互斥量從本質(zhì)上說是一把鎖，在訪問共享資源前對互斥量進行加鎖，在訪問完成后釋放互斥量。
只有將所有線程都設(shè)計成遵守相同數(shù)據(jù)訪問規(guī)則的，互斥機制才能正常工作。操作系統(tǒng)并不會為我們做數(shù)據(jù)訪問的串行化。如果允許其中某個線程在沒有得到鎖的情況下也可以訪問共享資源，那么即使其他的線程在使用共享資源前都申請鎖，也還是會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問題。
互斥變量使用數(shù)據(jù)類型pthread_mutex_t表示，使用互斥變量之前，必須對它進行初始化：
1. 如果是靜態(tài)分配的互斥量，可以把它設(shè)置為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
2. 如果是動態(tài)分配（通過malloc函數(shù)）的互斥量，可以通過調(diào)用函數(shù)pthread_mutex_init進行初始化;在釋放內(nèi)存前（通過free函數(shù)）需要調(diào)用pthread_mutex_destroy

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); Both return: 0 if OK, error number on failure

要用默認的屬性初始化互斥量，只需把attr設(shè)為NULL

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 成功鎖住返回0；鎖住失敗返回EBUSY，不會阻塞int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); All return: 0 if OK, error number on failure6.2 避免死鎖

如果線程試圖對同一個互斥量加鎖兩次，那么它自身就會陷入死鎖狀態(tài)。
還有其他情況也會產(chǎn)生死鎖，如線程1先鎖住互斥量A，再鎖互斥量B；而線程2先鎖住互斥量B，再鎖住互斥量A。可以通過限制加鎖的順序避免。
有時候，對互斥量的加鎖進行排序是很困難的。這種情況下，可以先釋放占有的鎖，然后過一段時間再試。

6.3 函數(shù)pthread_mutex_timedlock#include <pthread.h>#include <time.h>int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict tsptr); Returns: 0 if OK, error number on failure