Linux Pthread 深入解析（转-度娘818）

Linux Pthread 深入解析

 

Outline

- 1.线程特点

- 2.pthread创建

- 3.pthread终止

        - 4.mutex互斥量使用框架

        - 5.cond条件变量

        - 6.综合实例

================================================================================================

1. 线程特点

线程拥有自己独立的栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字（创建时继承）、errno变量以及线程私有数据。进程的其他地址空间均被所有线程所共享，因此线程可以访问程序的全局变量和堆中分配的数据，并通过同步机制保证对数据访问的一致性。

 

2. pthread创建

pthread有一个线程ID，类型为pthread_t，在使用printf打印时，应转换为u类型。

pthread_equal可用于比较两个id是否相等；pthread_self用于获取当前线程的ID。

pthread_create用于创建新的线程，可以给线程传入一个void *类型的参数，例如一个结构体指针或者一个数值。

系统并不能保证哪个线程会现运行：新创建的线程还是调用线程。

 

3. pthread终止

a) 从线程函数中返回

b) 被同一进程中的其他线程取消

c) 线程调用pthread_exit

注意，线程的返回值需要转换为void *类型。

 

pthread_exit(void *ret)

pthread_join(pthread_t id, void **ret)

 

ret均可设置为NULL

 

4.  mutex 互斥量使用框架

pthread_mutex_t lock;

pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（仅可用在静态变量）

pthread_mutex_lock / pthread_mutex_unlock / pthread_mutex_trylock

pthread_mutex_destroy

 

5. cond 条件变量

pthread_cond_t qready;

pthread_mutex_t qlock;

pthread_mutex_init 或者 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

pthread_cond_init 或者 PTHREAD_COND_INITIALIZER

pthread_mutex_lock(&qlock...)

pthread_cond_wait(&qready, &qlock...) / pthread_cond_timewait

pthread_mutex_unlock(&qlock)
pthread_cond_destroy

 

//唤醒条件变量

pthread_cond_signal

pthread_cond_broadcast

 

条件变量是pthread中比较难以理解的一点，主要会产生以下疑惑：

Q1. 假如在调用pthread_{cond_wait | cond_timedwait}之前就调用pthread_cond_{signal | broadcast}会发生什么？

 

Q2. pthread_cond_{cond_wait | cond_timewait}为什么需要一个已经锁住的mutex作为变量？

 

Q3. pthread_cond_{signal | broadcast}使用之前必须获取wait中对应的mutex吗？

 

Q4. 假如pthread_cond_{signal | broadcast}必须获取mutex，那么下列两种形式，哪种正确？为什么？

 

 1)

 lock(lock_for_X);

 change(X);

 unlock(lock_for_X);

 pthread_cond_{signal | broadcast};

 

 2)

 lock(lock_for_X);

 change(X);

 pthread_cond_{signal | broadcast};

 unlock(lock_for_X);

 

----思考-------思考-------思考-------思考------思考-------思考------思考------思考-------思考-------

 

A1: 什么都不会发生，也不会出错，仅仅造成这次发送的signal丢失。

 

A2: 一般场景如下，我们需要检查某个条件是否满足（如队列X是否为空、布尔Y是否为真），假如没有条件变量，我们唯一的选择是

 

1. while (1) {
2. lock(lock_for_X);
3. if (X is not empty) {
4. unlock(lock_for_X);
5. break;
6. } else { //X is empty, loop continues
7. unlock(lock_for_X);
8. sleep(10);
9. }
10. }
11. //X is not empty, loop ends
12. process(X);

 

明显这种轮询的方式非常耗费CPU时间，这时候我们很容易的想到，如果有一种机制，可以异步通知我们队列的状态发生了变化，那么我们便无须再轮询，只要等到通知到来时再检查条件是否满足即可，其他时间则将程序休眠，因此现在代码变成这样：

 

1. while (1) {
2. lock(lock_for_X);
3. if (X is not empty) {
4. unlock(lock_for_X);
5. break;
6. } else {
7. unlock(lock_for_X); //must called before my_wait(), otherwise no one can acquire the lock and make change to X
8. -------------------------------------->窗口，由于已经解锁，其他程序可能改变X，并且试图唤醒mywait，但在一个繁忙的系统中，可能此时my_还没被调用！
9. my_wait(); //go to sleep and wait for the notification
10. }
11. }

 

my_wait是一个假想的函数，作用如注释所示。

不难发现，这样做以后，我们无须再轮询了，只需要等待my_wait()被唤醒以后检查条件是否满足。

但 是请注意，正如图中所示，存在1个时间窗口。若其他程序在这个窗口中试图唤醒my_wait，由于此时my_wait还没有被调用，那么这个信号将丢失， 造成my_wait一直阻塞。解决的办法就是，要将unlock和my_wait合并成一个原子操作，这样就不会被其他程序插入执行。我想到这里，你应该 已经明白了，这个原子操作的函数就是pthread_cond_{signal | broadcast}.

A3: 是的。

详见：http://stackoverflow.com/questions/4544234/calling-pthread-cond-signal-without-locking-mutex

 

A4: 对于1)，在不同的操作系统中，可能会造成不确定的调度结果（可能会造成调度优先级反转）；对于2）可以保证无论在何种操作系统中都将获得预期的调度顺序。

 

设想一个场景：有两个消费者线程A和B，我们设定A的优先级比B高，A正在等待条件变量被出发，即已经调用了pthread_wait，并且处于阻塞状态：

 

1. lock(lock_for_X);
2. while (X is empty) {
3. pthread_cond_wait(&qready, &lock_for_X);
4. }
5. unlock(lock_for_X);

 

B中没有调用pthread_wait，而是做类似如下的处理：

 

1. while(1) {
2. lock(lock_for_X);
3. dequeue(X);
4. unlock(lock_for_X);
5. }

另一个线程C，为生产者，采用1)方案，则代码如下，先unlock，再发出signal：

 

 lock(lock_for_X);

 change(X);

 unlock(lock_for_X);

 pthread_cond_{signal | broadcast};

 

当 发出unlock以后，发送signal之前，此时消费者B已经满足了运行条件，而消费者A虽然优先级比B高，但是由于其运行条件还需要signal，所 以不具备立刻运行的条件，此时就看操作系统如何实现调度算法了。有些操作系统，可能会因为A不具备立刻运行条件，即使它的优先级比B高，此时还是让B线程 先运行，那么，后续将分成两种情况：

 

(a) B获得了lock，但是还没有将X队列中的刚刚加入的条目移除，此时C调用了signal，A接收到了signal，由于A的优先级高，那么A抢占B，A 从函数pthread_cond_wait返回之前需要再次将lock上锁，但是A抢占后发现，lock被人锁住了（还没有被B释放），只好再次休眠，等 待锁被释放，结果B又被唤醒，也可能因此造成A和B的死锁，这个具体要看操作系统的调度算法。

 

(b) B获得了lock，并且执行了dequeue，然后释放了锁。此时C调用了signal，A接收到了signal，由于A的优先级高，那么A抢占B，A这 次顺利的获取了锁得以从pthread_cond_wait中返回，但是在检查条件时，却发现队列是空的，于是乎再次进入 pthread_cond_wait休眠。结果A又无法被执行，A可能由此进入饥饿状态。

 

但是如果C采用2)方案：

 

 lock(lock_for_X);

 change(X);

 pthread_cond_{signal | broadcast};

 unlock(lock_for_X);

 

在unlock以后，A、B都具备了立即运行的条件，由于A比B的优先级高，因此操作系统必定会先调度A执行，就避免了前面一种不确定的调度结果。

 

主要参考：http://groups.google.com/group/comp.programming.threads/msg/a3721a2fc9b21c64?hl=ky

 

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct node
{
    int n_number;
    struct node *n_next;
} *head = NULL; /*[thread_func]*/

/*释放节点内存 */
static void cleanup_handler(void *arg)
{
    printf("Cleanup handler of second thread.\n");
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}

static void *thread_func(void *arg)
{
    struct node *p = NULL;
    pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);

    while ()
    {
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        //这个mutex_lock主要是用来保护wait等待临界时期的情况，
        //当在wait为放入队列时，这时，已经存在Head条件等待激活
        //的条件，此时可能会漏掉这种处理
        //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，
        //为何这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait
        //里的线程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，
        //则不是我们想要的情况。这个时候，
        //应该让线程继续进入pthread_cond_wait

        while (head != NULL)
        {
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
            // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
            //然后阻塞在等待队列里休眠，直到再次被唤醒
            //（大多数情况下是等待的条件成立而被唤醒，唤醒后，
            //该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，
            // 再读取资源 用这个流程是比较清楚的
            /*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

            p = head;
            head = head->n_next;
            printf("Got %d from front of queue\n", p->n_number);
            free(p);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁

    }

    pthread_cleanup_pop();
    return ;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    int i;
    struct node *p;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，
    //但是这里的消费者可以是多个消费者，
    //而不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，
    //但是很强大
    for (i = ; i < ; i++)
    {
        p = (struct node *)malloc(sizeof(struct node));
        p->n_number = i;
        pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
        p->n_next = head;
        head = p;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
        sleep();
    }
    printf("thread 1 wanna end the cancel thread 2.\n");
    pthread_cancel(tid);
    //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，
    //子线程会在最近的取消点，退出线程，而在我们的代码里，最近的
    //取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("All done -- exiting\n");
    return ;
}

 

6. 综合实例

1. /*
2. * =====================================================================================
3. *
4. * Filename: pthread.c
5. *
6. * Description:
7. *
8. * Version: 1.0
9. * Created: 08/17/11 11:06:35
10. * Revision: none
11. * Compiler: gcc
12. *
13. * Author: YOUR NAME (),
14. * Company:
15. *
16. * =====================================================================================
17. */
18. #include <stdio.h>
19. #include <pthread.h>
20. #include <error.h>
21. #include <stdlib.h>
22. #include <unistd.h>
23. #include <string.h>
24. pthread_cond_t qready;
25. pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
26. struct foo {
27. int cnt;
28. pthread_mutex_t f_lock;
29. };
30. void cleanup(void *arg)
31. {
32. printf("clean up: %s\n", (char *)arg);
33. }
34. void printids(char *str)
35. {
36. printf("%s pid = %u tid = %u / 0x%x\n",
37. str, (unsigned int)getpid(), (unsigned int)pthread_self(), (unsigned int)pthread_self());
38. }
39. void *thread1(void *arg)
40. {
41. pthread_mutex_lock(&qlock);
42. pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
43. pthread_mutex_unlock(&qlock);
44. printids("thread1:");
45. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 first cleanup handler");
46. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 second cleanup handler");
47. printf("thread 1 push complete!\n");
48. pthread_mutex_lock(&((struct foo *)arg)->f_lock);
49. ((struct foo *)arg)->cnt;
50. printf("thread1: cnt = %d\n", ((struct foo *)arg)->cnt);
51. pthread_mutex_unlock(&((struct foo *)arg)->f_lock);
52. if (arg)
53. return ((void *)0);
54. pthread_cleanup_pop(0);
55. pthread_cleanup_pop(0);
56. pthread_exit((void *)1);
57. }
58. void *thread2(void *arg)
59. {
60. int exit_code = -1;
61. printids("thread2:");
62. printf("Now unlock thread1\n");
63. pthread_mutex_lock(&qlock);
64. pthread_mutex_unlock(&qlock);
65. pthread_cond_signal(&qready);
66. printf("Thread1 unlocked\n");
67. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 first cleanup handler");
68. pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 second cleanup handler");
69. printf("thread 2 push complete!\n");
70. if (arg)
71. pthread_exit((void *)exit_code);
72. pthread_cleanup_pop(0);
73. pthread_cleanup_pop(0);
74. pthread_exit((void *)exit_code);
75. }
76. int main(int argc, char *argv[])
77. {
78. int ret;
79. pthread_t tid1, tid2;
80. void *retval;
81. struct foo *fp;
82. ret = pthread_cond_init(&qready, NULL);
83. if (ret != 0) {
84. printf("pthread_cond_init error: %s\n", strerror(ret));
85. return -1;
86. }
87. if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) == NULL) {
88. printf("malloc failed!\n");
89. return -1;
90. }
91. if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != 0) {
92. free(fp);
93. printf("init mutex failed!\n");
94. }
95. pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
96. ret = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, (void *)fp);
97. if (ret != 0) {
98. printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));
99. return -1;
100. }
101. ret = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, (void *)1);
102. if (ret != 0) {
103. printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));
104. return -1;
105. }
106. ret = pthread_join(tid2, &retval);
107. if (ret != 0) {
108. printf("pthread join falied!\n");
109. return -1;
110. }
111. else
112. printf("thread2 exit code %d\n", (int)retval);
113. fp->cnt = 1;
114. printf("main thread: cnt = %d\n",fp->cnt);
115. pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
116. sleep(1);    //there is no guarantee the main thread will run before the newly created thread, so we wait for a while
117. printids("main thread:");
118. printf("Press <RETURN> to exit\n");
119. ret = pthread_cond_destroy(&qready);
120. if (ret != 0) {
121. printf("pthread_cond_destroy error: %s\n", strerror(ret));
122. return -1;
123. }
124. getchar();
125. return 0;
126. }