Pthread 用法笔记

什么是线程？

从技术上讲，一个线程被定义为一个独立的指令流。

一个进程可以包含一个或多个线程。

线程操作包括线程创建，终止，同步（连接，阻塞），调度，数据管理和进程交互。

进程内的所有线程共享：

• 相同的地址空间
• 信号
• 文件描述符
• 工作目录
• 用户和组 ID

每个线程具有单独的：

• 堆栈指针
• 寄存器
• 调度属性（如策略或优先级）
• 线程特定的数据

线程的优点：

1. 上下文切换的开销减小，提高了效率。
2. 共享存储器，方便构造并发服务器。

缺点：

1. 同时访问同一个变量的冲突。
2. 缺乏健壮性，一个线程故障可能就需要终止整个进程。

什么是 Pthreads？

POSIX 线程库是 C/C++ 的基于标准的线程API。

利用它我们可以操作线程，开发并行处理的程序。

线程创建和终止

一个简单的例子：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define THRDS 5

void *PrintHello(void *t) {
    printf("Hello World! It's me, thread #%ld!\n", (long)t);
    pthread_exit(NULL);
}

int main () {
    pthread_t callThd[THRDS];
    for(long t=0; t<THRDS; t++){
        int rc = pthread_create(&callThd[t], NULL, PrintHello, (void *)t);
        if (rc){
            printf("ERROR: pthread_create() return %d\n", rc);
            return -1;
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
 }

上面我们用到了 pthread_create 来创建线程。

int pthread_create(pthread_t *thread, // 线程 ID
                   const pthread_attr_t *attr, // 线程属性，NULL 则采用默认属性
                   void *(* start_routine)(void *), // 要线程化的函数的指针
                   void *arg); // 传递给 start_routine 函数的参数

线程函数的参数必须通过引用传递并转换为(void *)。

若要传递多个参数，可创建一个包含所有参数的结构体，再传递指向该结构体的指针。

如果传递的参数是一个变量的地址，由于这是共享内存空间，变量对所有线程可见，很有可能在新线程访问它之前，此内存位置的值发生了更改。

终止一个线程有下面几种方法：

• 线程正常执行完后返回。
• 线程调用 pthread_exit。
• 线程被另一个线程通过 pthread_cancel 取消。
• 整个进程因调用 exec() 或 exit() 而终止。
• main() 先完成，且没有显式调用 pthread_exit 。

如果没有显式地调用 pthread_exit()， main() 就会在它产生的线程之前完成，那么所有线程都将终止。

显示调用 pthread_exit()，则main() 会在结束前等待所有线程执行完毕。

我们也可以在 main() 中调用 pthread_join(t, NULL); 来连接子线程，连接后，当前线程就会阻塞并等待子线程 t 的结束。

另外创建时线程时可以通过线程属性指定是否可被连接。

线程协调和同步

Unix 的常见的线程同步机制：互斥（mutex）、信号量（semaphore）和条件变量（condition variable）。

pthread 库提供的三种同步机制：

• 互斥锁：阻止其他线程访问变量。
• 连接（join）：让一个线程等待，直到其他人终止。（上面已经提到）
• 条件变量：数据类型 pthread_cond_t。

互斥

Mutex是“互斥”（mutual exclusion）的缩写。

一个简单的例子：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define THRDS 5
pthread_t callThd[THRDS];
pthread_mutex_t mutexsum;
long sum;

void *add(void*) {
    pthread_mutex_lock(&mutexsum);
    sum++;
    pthread_mutex_unlock(&mutexsum);
    return 0;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_mutex_init(&mutexsum, NULL);

    for(int i = 0; i < THRDS; i++) {
        pthread_create(&callThd[i], NULL, add, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < THRDS; i++) {
        pthread_join(callThd[i], NULL);
    }

    printf("Sum =  %ld \n", sum);
    pthread_mutex_destroy(&mutexsum);
    return 0;
}

互斥变量必须声明为pthread_mutex_t类型，并且必须在可以使用它们之前进行初始化。有两种方法来初始化互斥变量：

• pthread_mutex_t mymutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
• 使用pthread_mutex_init()。该方法允许设置互斥对象属性 attr。

互斥变量最初是未上锁的。

条件变量

一个条件变量总是与一个互斥锁一起使用。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define THRDS  3
#define TCOUNT 10
#define COUNT_LIMIT 12

int count = 0;
pthread_mutex_t count_mutex;
pthread_cond_t count_threshold_cv;

void *inc_count(void *t) {
    for (int i = 0; i < TCOUNT; i++) {
        pthread_mutex_lock(&count_mutex);

        /* 检查是否数量达到阈值 */
        if (++count == COUNT_LIMIT) {
            printf("inc_count(): 线程 %ld, count = %d  达到阈值. ", (long)t, count);
            /* pthread_cond_signal 用来唤醒正在等待对应条件变量的线程，此时互斥锁必须是锁住的。
              执行之后必须用 pthread_mutex_unlock 解锁互斥锁。
              若有多个线程在等待条件变量，那么必须用 pthread_cond_broadcast 代替 pthread_cond_signal。
              必须在调用 pthread_cond_signal 之前调用 pthread_cond_wait。
              */
            pthread_cond_signal(&count_threshold_cv);
        }

        printf("inc_count(): 线程 %ld, count = %d \n", (long)t, count);
        pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
        /* 稍微等待一会儿 */
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

void *watch_count(void *t) {
    printf("启动 watch_count(): 线程 %ld\n", (long)t);
    pthread_mutex_lock(&count_mutex);

    while (count < COUNT_LIMIT) {
        printf("watch_count(): 线程 %ld count= %d. 继续等待...\n", (long)t, count);
        /* pthread_cond_wait 总是自动且原子地解锁互斥锁。*/
        pthread_cond_wait(&count_threshold_cv, &count_mutex);
    }

    count += 125;
    printf("watch_count(): 线程 %ld count = %d.\n", (long)t, count);
    pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int i, rc;
    pthread_t th[THRDS];
    pthread_attr_t attr;
    /* 初始化互斥锁和条件变量 */
    pthread_mutex_init(&count_mutex, NULL);
    pthread_cond_init (&count_threshold_cv, NULL);
    /* 为了兼容性，使用属性指明线程可被连接 */
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
    pthread_create(&th[0], &attr, watch_count, (void *)1l);

    for(long i = 1; i < 3; i++) {
        pthread_create(&th[i], &attr, inc_count, (void *)i);
    }

    /* 等待所有线程结束 */
    for (i = 0; i < THRDS; i++) {
        pthread_join(th[i], NULL);
    }

    printf ("main():  等待并且连接了 %d 个线程. 最终 count = %d.\n", THRDS, count);
    /* 清理并退出 */
    pthread_attr_destroy(&attr);
    pthread_mutex_destroy(&count_mutex);
    pthread_cond_destroy(&count_threshold_cv);
    pthread_exit (NULL);
}

参考1. POSIX thread (pthread) libraries

参考2. POSIX Threads Programming