linux多線程編程技術(shù)

1 引言

線程(thread)技術(shù)早在60年代就被提出，但真正應(yīng)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(gè)進(jìn)程(process)中只允許有一個(gè)線程，這樣多線程就意味著多進(jìn)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(dāng)然，也包括Linux。
為什么有了進(jìn)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(yīng)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(jìn)程相比，它是一種非常節(jié)儉的多任務(wù)操作方式。我們知道，在Linux系統(tǒng)下，啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種昂貴的多任務(wù)工作方式。而運(yùn)行于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動(dòng)一個(gè)線程所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程所花費(fèi)的空間，而且，線程間彼此切換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，總的說來，一個(gè)進(jìn)程的開銷大約是一個(gè)線程開銷的30倍左右，當(dāng)然，在具體的系統(tǒng)上，這個(gè)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(jī)制。對不同進(jìn)程來說，它們具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進(jìn)行，這種方式不僅費(fèi)時(shí)，而且很不方便。線程則不然，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個(gè)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(dāng)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(shí)被兩個(gè)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(zāi)難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時(shí)最需要注意的地方。

除了以上所說的優(yōu)點(diǎn)外，不和進(jìn)程比較，多線程程序作為一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，當(dāng)然有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1) 提高應(yīng)用程序響應(yīng)。這對圖形界面的程序尤其有意義，當(dāng)一個(gè)操作耗時(shí)很長時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會等待這個(gè)操作，此時(shí)程序不會響應(yīng)鍵盤、鼠標(biāo)、菜單的操作，而使用多線程技術(shù)，將耗時(shí)長的操作(time consuming)置于一個(gè)新的線程，可以避免這種尷尬的情況。

2) 使多CPU系統(tǒng)更加有效。操作系統(tǒng)會保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時(shí)，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上。

3) 改善程序結(jié)構(gòu)。一個(gè)既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個(gè)線程，成為幾個(gè)獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，這樣的程序會利于理解和修改。

下面我們先來嘗試編寫一個(gè)簡單的多線程程序。

2 簡單的多線程編程

Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口，稱為pthread。編寫Linux下的多線程程序，需要使用頭文件pthread.h，連接時(shí)需要使用庫libpthread.a。順便說一下，Linux下pthread的實(shí)現(xiàn)是通過系統(tǒng)調(diào)用clone()來實(shí)現(xiàn)的。clone()是Linux所特有的系統(tǒng)調(diào)用，它的使用方式類似fork，關(guān)于clone()的詳細(xì)情況，有興趣的讀者可以去查看有關(guān)文檔說明。下面我們展示一個(gè)最簡單的多線程程序 example1.c。

/* example.c*/
#include
#include
void thread(void)
{
int i;
for(i=0;i3;i++)
printf(This is a pthread.n);
}
int main(void)
{
pthread_t id;
int i,ret;
ret=pthread_create(id,NULL,(void *) thread,NULL);
if(ret!=0){
printf (Create pthread error!n);
exit (1);
}
for(i=0;i3;i++)
printf(This is the main process.n);
pthread_join(id,NULL);
return (0);
}

我們編譯此程序：

gcc example1.c -lpthread -o example1
運(yùn)行example1，我們得到如下結(jié)果：
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is the main process.
This is a pthread.
This is a pthread.

再次運(yùn)行，我們可能得到如下結(jié)果：
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.

前后兩次結(jié)果不一樣，這是兩個(gè)線程爭奪CPU資源的結(jié)果。上面的示例中，我們使用到了兩個(gè)函數(shù)，　　pthread_create和pthread_join，并聲明了一個(gè)pthread_t型的變量。
pthread_t在頭文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定義：
typedef unsigned long int pthread_t;
它是一個(gè)線程的標(biāo)識符。函數(shù)pthread_create用來創(chuàng)建一個(gè)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));

第一個(gè)參數(shù)為指向線程標(biāo)識符的指針，第二個(gè)參數(shù)用來設(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。對線程屬性的設(shè)定和修改我們將在下一節(jié)闡述。當(dāng)創(chuàng)建線程成功時(shí)，函數(shù)返回0，若不為0則說明創(chuàng)建線程失敗，常見的錯(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)，原來的線程則繼續(xù)運(yùn)行下一行代碼。

函數(shù)pthread_join用來等待一個(gè)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(gè)參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識符，第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)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(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。一個(gè)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(shí)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(gè)參數(shù)thread_return不是NULL，這個(gè)值將被傳遞給 thread_return。最后要說明的是，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。

在這一節(jié)里，我們編寫了一個(gè)最簡單的線程，并掌握了最常用的三個(gè)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(shè)置這些屬性。

3 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(gè)線程，在這個(gè)線程中，我們使用了默認(rèn)參數(shù)，即將該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)設(shè)為NULL。的確，對大多數(shù)程序來說，使用默認(rèn)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(shè)置，須使用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行操作，初始化的函數(shù)為pthread_attr_init，這個(gè)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(rèn)的屬性為非綁定、非分離、缺省1M的堆棧、與父進(jìn)程同樣級別的優(yōu)先級。

關(guān)于線程的綁定，牽涉到另外一個(gè)概念：輕進(jìn)程(LWP：Light Weight Process)。輕進(jìn)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(jìn)程來實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)輕進(jìn)程可以控制一個(gè)或多個(gè)線程。默認(rèn)狀況下，啟動(dòng)多少輕進(jìn)程、哪些輕進(jìn)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(gè)線程固定的綁在一個(gè)輕進(jìn)程之上。被綁定的線程具有較高的響應(yīng)速度，這是因?yàn)镃PU時(shí)間片的調(diào)度是面向輕進(jìn)程的，綁定的線程可以保證在需要的時(shí)候它總有一個(gè)輕進(jìn)程可用。通過設(shè)置被綁定的輕進(jìn)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(shí)時(shí)反應(yīng)之類的要求。

設(shè)置線程綁定狀態(tài)的函數(shù)為pthread_attr_setscope，它有兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是指向?qū)傩越Y(jié)構(gòu)的指針，第二個(gè)是綁定類型，它有兩個(gè)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(gè)綁定的線程。

#include
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
/*初始化屬性值，均設(shè)為默認(rèn)值*/
pthread_attr_init(attr);
pthread_attr_setscope(attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
pthread_create(tid, attr, (void *) my_function, NULL);

線程的分離狀態(tài)決定一個(gè)線程以什么樣的方式來終止自己。在上面的例子中，我們采用了線程的默認(rèn)屬性，即為非分離狀態(tài)，這種情況下，原有的線程等待創(chuàng)建的線程結(jié)束。只有當(dāng)pthread_join()函數(shù)返回時(shí)，創(chuàng)建的線程才算終止，才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源。而分離線程不是這樣子的，它沒有被其他的線程所等待，自己運(yùn)行結(jié)束了，線程也就終止了，馬上釋放系統(tǒng)資源。程序員應(yīng)該根據(jù)自己的需要，選擇適當(dāng)?shù)姆蛛x狀態(tài)。設(shè)置線程分離狀態(tài)的函數(shù)為 pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate)。第二個(gè)參數(shù)可選為PTHREAD_CREATE_DETACHED(分離線程)和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE(非分離線程)。這里要注意的一點(diǎn)是，如果設(shè)置一個(gè)線程為分離線程，而這個(gè)線程運(yùn)行又非常快，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和系統(tǒng)資源移交給其他的線程使用，這樣調(diào)用pthread_create的線程就得到了錯(cuò)誤的線程號。要避免這種情況可以采取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被創(chuàng)建的線程里調(diào)用 pthread_cond_timewait函數(shù)，讓這個(gè)線程等待一會兒，留出足夠的時(shí)間讓函數(shù)pthread_create返回。設(shè)置一段等待時(shí)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(gè)進(jìn)程睡眠，并不能解決線程同步的問題。

另外一個(gè)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(jìn)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。

#include
#include
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;
pthread_attr_init(attr);
pthread_attr_getschedparam(attr, ¶m);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(attr, ¶m);
pthread_create(tid, attr, (void *)myfunction, myarg);

4 線程的數(shù)據(jù)處理

和進(jìn)程相比，線程的最大優(yōu)點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)的共享性，各個(gè)進(jìn)程共享父進(jìn)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(dāng)心有多個(gè)不同的進(jìn)程訪問相同的變量。許多函數(shù)是不可重入的，即同時(shí)不能運(yùn)行一個(gè)函數(shù)的多個(gè)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?yàn)槿绻祷氐氖呛瘮?shù)內(nèi)部靜態(tài)聲明的空間的地址，則在一個(gè)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(shí)，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(jìn)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(shí)(如gcc中使用-OX參數(shù))改變它們的使用方式。為了保護(hù)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(shí)的有關(guān)知識。

4.1 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(gè)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(biāo)準(zhǔn)的出錯(cuò)信息。它顯然不能是一個(gè)局部變量，幾乎每個(gè)函數(shù)都應(yīng)該可以調(diào)用它;但它又不能是一個(gè)全局變量，否則在 A線程里輸出的很可能是B線程的出錯(cuò)信息。要實(shí)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€(gè)線程數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)鍵，它和這個(gè)鍵相關(guān)聯(lián)，在各個(gè)線程里，都使用這個(gè)鍵來指代線程數(shù)據(jù)，但在不同的線程里，這個(gè)鍵代表的數(shù)據(jù)是不同的，在同一個(gè)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(gè)：創(chuàng)建一個(gè)鍵;為一個(gè)鍵指定線程數(shù)據(jù);從一個(gè)鍵讀取線程數(shù)據(jù);刪除鍵。
創(chuàng)建鍵的函數(shù)原型為：
extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,
void (*__destr_function) (void *)));
第一個(gè)參數(shù)為指向一個(gè)鍵值的指針，第二個(gè)參數(shù)指明了一個(gè)destructor函數(shù)，如果這個(gè)參數(shù)不為空，那么當(dāng)每個(gè)線程結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用這個(gè)函數(shù)來釋放綁定在這個(gè)鍵上的內(nèi)存塊。這個(gè)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(gè)鍵只被創(chuàng)建一次。函數(shù)pthread_once聲明一個(gè)初始化函數(shù)，第一次調(diào)用pthread_once時(shí)它執(zhí)行這個(gè)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(gè)鍵，并將它和某個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。我們要定義一個(gè)函數(shù)createWindow，這個(gè)函數(shù)定義一個(gè)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(gè)線程都會調(diào)用這個(gè)函數(shù)，所以我們使用線程數(shù)據(jù)。

/* 聲明一個(gè)鍵*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函數(shù) createWindow */
void createWindow ( void ) {
Fl_Window * win;
static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
/* 調(diào)用函數(shù)createMyKey，創(chuàng)建鍵*/
pthread_once ( once, createMyKey) ;
/*win指向一個(gè)新建立的窗口*/
win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, MyWindow);
/* 對此窗口作一些可能的設(shè)置工作，如大小、位置、名稱等*/
setWindow(win);
/* 將窗口指針值綁定在鍵myWinKey上*/
pthread_setpecific ( myWinKey, win);
}
/* 函數(shù) createMyKey，創(chuàng)建一個(gè)鍵，并指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
pthread_keycreate(myWinKey, freeWinKey);
}
/* 函數(shù) freeWinKey，釋放空間*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
delete win;
}
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(gè)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(gè)鍵綁定在一起。這兩個(gè)函數(shù)的原型如下：

extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer));
extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));
這兩個(gè)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(gè)鍵指定新的線程數(shù)據(jù)時(shí)，必須自己釋放原有的線程數(shù)據(jù)以回收空間。這個(gè)過程函數(shù)pthread_key_delete用來刪除一個(gè)鍵，這個(gè)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。

4.2 互斥鎖

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

我們先看下面一段代碼。這是一個(gè)讀/寫程序，它們公用一個(gè)緩沖區(qū)，并且我們假定一個(gè)緩沖區(qū)只能保存一條信息。即緩沖區(qū)只有兩個(gè)狀態(tài)：有信息或沒有信息。

void reader_function ( void );
void writer_function ( void );
char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main ( void ){
pthread_t reader;
/* 定義延遲時(shí)間*/
delay.tv_sec = 2;
delay.tv_nec = 0;
/* 用默認(rèn)屬性初始化一個(gè)互斥鎖對象*/
pthread_mutex_init (mutex,NULL);
pthread_create(reader, pthread_attr_default, (void *)reader_function), NULL);
writer_function( );
}
void writer_function (void){
while(1){
/* 鎖定互斥鎖*/
pthread_mutex_lock (mutex);
if (buffer_has_item==0){
buffer=make_new_item( );
buffer_has_item=1;
}
/* 打開互斥鎖*/
pthread_mutex_unlock(mutex);
pthread_delay_np(delay);
}
}
void reader_function(void){
while(1){
pthread_mutex_lock(mutex);
if(buffer_has_item==1){
consume_item(buffer);
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock(mutex);
pthread_delay_np(delay);
}
}

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(gè)系統(tǒng)分配的屬性對象。函數(shù) pthread_mutex_init用來生成一個(gè)互斥鎖。NULL參數(shù)表明使用默認(rèn)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(shè)置互斥鎖屬性。前一個(gè)函數(shù)設(shè)置屬性pshared，它有兩個(gè)取值， PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來不同進(jìn)程中的線程同步，后者用于同步本進(jìn)程的不同線程。在上面的例子中，我們使用的是默認(rèn)屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用來設(shè)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(jī)制，一般情況下，選用最后一個(gè)默認(rèn)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(shí)間只能被一個(gè)線程調(diào)用執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行到pthread_mutex_lock處時(shí)，如果該鎖此時(shí)被另一個(gè)線程使用，那此線程被阻塞，即程序?qū)⒌却搅硪粋€(gè)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(shí)間，就是為了防止一個(gè)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(gè)線程試圖同時(shí)占用兩個(gè)資源，并按不同的次序鎖定相應(yīng)的互斥鎖，例如兩個(gè)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(shí)就出現(xiàn)了死鎖。此時(shí)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(dāng)它發(fā)現(xiàn)死鎖不可避免時(shí)，它會返回相應(yīng)的信息，程序員可以針對死鎖做出相應(yīng)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(shè)計(jì)注意這一點(diǎn)。

4.3 條件變量

前一節(jié)中我們講述了如何使用互斥鎖來實(shí)現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)的共享和通信，互斥鎖一個(gè)明顯的缺點(diǎn)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(gè)線程發(fā)送信號的方法彌補(bǔ)了互斥鎖的不足，它常和互斥鎖一起使用。使用時(shí)，條件變量被用來阻塞一個(gè)線程，當(dāng)條件不滿足時(shí)，線程往往解開相應(yīng)的互斥鎖并等待條件發(fā)生變化。一旦其它的某個(gè)線程改變了條件變量，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個(gè)或多個(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)指向結(jié)構(gòu)pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個(gè)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(shè)置條件變量是進(jìn)程內(nèi)可用還是進(jìn)程間可用，默認(rèn)值是 PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此條件變量被同一進(jìn)程內(nèi)的各個(gè)線程使用。注意初始化條件變量只有未被使用時(shí)才能重新初始化或被釋放。釋放一個(gè)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(gè)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(gè)變量是否為0等等，這一點(diǎn)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(yīng)該仍阻塞在這里，被等待被下一次喚醒。這個(gè)過程一般用while語句實(shí)現(xiàn)。

另一個(gè)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));
它比函數(shù)pthread_cond_wait()多了一個(gè)時(shí)間參數(shù)，經(jīng)歷abstime段時(shí)間后，即使條件變量不滿足，阻塞也被解除。

函數(shù)pthread_cond_signal()的原型為：
extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));
它用來釋放被阻塞在條件變量cond上的一個(gè)線程。多個(gè)線程阻塞在此條件變量上時(shí)，哪一個(gè)線程被喚醒是由線程的調(diào)度策略所決定的。要注意的是，必須用保護(hù)條件變量的互斥鎖來保護(hù)這個(gè)函數(shù)，否則條件滿足信號又可能在測試條件和調(diào)用pthread_cond_wait函數(shù)之間被發(fā)出，從而造成無限制的等待。下面是使用函數(shù)pthread_cond_wait()和函數(shù)pthread_cond_signal()的一個(gè)簡單的例子。
pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count　() {
pthread_mutex_lock (count_lock);
while(count==0)
pthread_cond_wait( count_nonzero, count_lock);
count=count -1;
pthread_mutex_unlock (count_lock);
}
increment_count(){
pthread_mutex_lock(count_lock);
if(count==0)
pthread_cond_signal(count_nonzero);
count=count+1;
pthread_mutex_unlock(count_lock);
}
count值為0時(shí)， decrement函數(shù)在pthread_cond_wait處被阻塞，并打開互斥鎖count_lock。此時(shí)，當(dāng)調(diào)用到函數(shù) increment_count時(shí)，pthread_cond_signal()函數(shù)改變條件變量，告知decrement_count()停止阻塞。讀者可以試著讓兩個(gè)線程分別運(yùn)行這兩個(gè)函數(shù)，看看會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果。

函數(shù)pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond)用來喚醒所有被阻塞在條件變量cond上的線程。這些線程被喚醒后將再次競爭相應(yīng)的互斥鎖，所以必須小心使用這個(gè)函數(shù)。

4.4 信號量

信號量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它被用來控制對公共資源的訪問。當(dāng)公共資源增加時(shí)，調(diào)用函數(shù)sem_post()增加信號量。只有當(dāng)信號量值大于0時(shí)，才能使用公共資源，使用后，函數(shù)sem_wait()減少信號量。函數(shù)sem_trywait()和函數(shù)pthread_ mutex_trylock()起同樣的作用，它是函數(shù)sem_wait()的非阻塞版本。下面我們逐個(gè)介紹和信號量有關(guān)的一些函數(shù)，它們都在頭文件 /usr/include/semaphore.h中定義。

信號量的數(shù)據(jù)類型為結(jié)構(gòu)sem_t，它本質(zhì)上是一個(gè)長整型的數(shù)。函數(shù)sem_init()用來初始化一個(gè)信號量。它的原型為：
extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));
sem為指向信號量結(jié)構(gòu)的一個(gè)指針;pshared不為0時(shí)此信號量在進(jìn)程間共享，否則只能為當(dāng)前進(jìn)程的所有線程共享;value給出了信號量的初始值。
函數(shù)sem_post( sem_t *sem )用來增加信號量的值。當(dāng)有線程阻塞在這個(gè)信號量上時(shí)，調(diào)用這個(gè)函數(shù)會使其中的一個(gè)線程不在阻塞，選擇機(jī)制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的。
函數(shù)sem_wait( sem_t *sem )被用來阻塞當(dāng)前線程直到信號量sem的值大于0，解除阻塞后將sem的值減一，表明公共資源經(jīng)使用后減少。函數(shù)sem_trywait ( sem_t *sem )是函數(shù)sem_wait()的非阻塞版本，它直接將信號量sem的值減一。
函數(shù)sem_destroy(sem_t *sem)用來釋放信號量sem。

下面我們來看一個(gè)使用信號量的例子。在這個(gè)例子中，一共有4個(gè)線程，其中兩個(gè)線程負(fù)責(zé)從文件讀取數(shù)據(jù)到公共的緩沖區(qū)，另兩個(gè)線程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)作不同的處理(加和乘運(yùn)算)。

/* File sem.c */
#include
#include
#include
#define MAXSTACK 100
int stack[MAXSTACK][2];
int size=0;
sem_t sem;
/* 從文件1.dat讀取數(shù)據(jù)，每讀一次，信號量加一*/
void ReadData1(void){
FILE *fp=fopen(1.dat,r);
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,%d %d,stack[size][0],stack[size][1]);
sem_post(sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*從文件2.dat讀取數(shù)據(jù)*/
void ReadData2(void){
FILE *fp=fopen(2.dat,r);
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,%d %d,stack[size][0],stack[size][1]);
sem_post(sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*阻塞等待緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，釋放空間，繼續(xù)等待*/
void HandleData1(void){
while(1){
sem_wait(sem);
printf(Plus:%d+%d=%dn,stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]+stack[size][1]);
--size;
}
}
void HandleData2(void){
while(1){
sem_wait(sem);
printf(Multiply:%d*%d=%dn,stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]*stack[size][1]);
--size;
}
}
int main(void){
pthread_t t1,t2,t3,t4;
sem_init(sem,0,0);
pthread_create(t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL);
pthread_create(t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL);
pthread_create(t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL);
pthread_create(t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL);
/* 防止程序過早退出，讓它在此無限期等待*/
pthread_join(t1,NULL);
}

在Linux下，我們用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可執(zhí)行文件sem。 我們事先編輯好數(shù)據(jù)文件1.dat和2.dat，假設(shè)它們的內(nèi)容分別為1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，我們運(yùn)行sem，得到如下的結(jié)果：
Multiply:-1*-2=2
Plus:-1+-2=-3
Multiply:9*10=90
Plus:-9+-10=-19
Multiply:-7*-8=56
Plus:-5+-6=-11
Multiply:-3*-4=12
Plus:9+10=19
Plus:7+8=15
Plus:5+6=11
從中我們可以看出各個(gè)線程間的競爭關(guān)系。而數(shù)值并未按我們原先的順序顯示出來這是由于size這個(gè)數(shù)值被各個(gè)線程任意修改的緣故。這也往往是多線程編程要注意的問題。

5 小結(jié)

多線程編程是一個(gè)很有意思也很有用的技術(shù)，使用多線程技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)螞蟻是目前最常用的下載工具之一，使用多線程技術(shù)的grep比單線程的grep要快上幾倍，類似的例子還有很多。希望大家能用多線程技術(shù)寫出高效實(shí)用的好程序來。