Linux 系统编程 学习：10-线程：线程的属性

Linux 系统编程 学习：10-线程：线程的属性

背景

上一讲我们介绍了线程的创建，回收与销毁；简单地提到了线程属性。这一讲我们就来具体看看，线程的属性。

概述

#include <pthread.h>

typedef struct __pthread_attr_s
{
    int                       __detachstate;   // 线程的分离状态
    int                       __schedpolicy;   // 线程调度策略
    structsched_param         __schedparam;    // 线程的调度参数
    int                       __inheritsched;  // 线程的继承性
    int                       __scope;         // 线程的作用域
    size_t                    __guardsize;     // 线程栈末尾的警戒缓冲区大小
    int                       __stackaddr_set; // 线程的栈设置
    void*                     __stackaddr;     // 线程栈的位置
    size_t                    __stacksize;     // 线程栈的大小
} pthread_attr_t;

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

线程具有属性，用pthread_attr_t表示，在对该结构进行处理之前必须进行初始化(pthread_attr_init)，在使用后需要对其去除初始化(pthread_attr_destroy)。

初始化为默认属性

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);

描述：初始化一个线程属性对象，重置为当前系统支持线程的所有属性的默认值。

属性	值
__scope	PTHREAD_SCOPE_PROCESS
__tetachstate	PTHREAD_CREATE_JOINABL
__stackaddr	NULL
__stacksize	1M
__sched_param.priority	0
__inheritsched	PTHREAD_INHERIT_SCHED
__schedpolicy	SCHED_OTHER

反初始化

int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

描述：销毁一个线程属性对象，使它在重新初始化之前不能重新使用。

原理：用无效的值设置了属性对象。

因此：如果经pthread_attr_destroy去除初始化之后的pthread_attr_t结构被pthread_create函数调用，将会导致其返回错误。

detachstate 分离状态

我们来分析结构体中的有关成员。

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t* attr, int detachstate);

// 有set就有get 。
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t* attr, int *detachstate)

描述：设置线程是否和其他线程分离（能否调用pthread_join()回收）， 运行时可以调用pthread_detach() 完成。

int pthread_detach(pthread_t thread);

参数解析：

attr：设置的属性对象

detachstate ：分离状态

• PTHREAD_CREATE_JOINABLE（默认）：线程的资源在退出后自行释放。
• PTHREAD_CREATE_DETACHED：

设置为PTHREAD_CREATE_DETACH状态（不论是创建时设置还是运行时设置） 则不能再恢复到PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。

返回值：成功返回0，失败返回错误号。

schedpolicy 调度策略与优先级

调度策略

如果主线程是唯一的线程，那么基本上不会被调度出去。另一方面，如果可运行的线程数大于CPU的数量，那么操作系统最终会将某个正在运行的线程调度出去，从而使其他线程能够使用CPU。这将导致一次上下文切换。在这个过程中将保存当前运行线程的执行上下文，并将新调度进来的线程的执行上下文设置为当前上下文。

Linux内核的三种调度策略：

• SCHED_OTHER 分时调度策略，默认的调度策略
• SCHED_FIFO 实时调度策略，先到先服务。一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃
• SCHED_RR 实时调度策略，时间片轮转。当进程的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平

继承创建者的调度策略

只有在不继承时，下面的操作才是有效的。

int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr, int inheritsched);
int pthread_attr_getinheritsched(const pthread_attr_t *attr, int *inheritsched);

描述：设置线程是否继承创建者优先级属性

参数解析：

inheritsched ： 是否继承

• PTHREAD_INHERIT_SCHED 继承
• PTHREAD_EXPLICIT_SCHED 不继承

获取可设置的优先级

int sched_get_priority_max(int policy);
int sched_get_priority_min(int policy);

描述：获取本线程的最大/小优先级。

返回值：成功时返回最大/小值，失败返回-1。

设置线程的调度策略与优先级

int pthread_setschedparam(pthread_t thread, int policy,
                          const struct sched_param *param);
int pthread_getschedparam(pthread_t thread, int *policy,
                          struct sched_param *param);
/* 用到的结构体 */
struct sched_param {
    int sched_priority;     /* Scheduling priority */
};

描述：设置线程的调度策略， 运行时可以调用pthread_setschedparam()来改变。

参数解析：

policy：

• （默认）SCHED_OTHER（正常、非实时）
• SCHED_RR（实时、轮转法）
• SCHED_FIFO（实时、先入先出）

param：优先级（越大越高）

优先级与调度的例程

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

void *task0(void *arg)
{
    while(1)
    {
        //sleep(1);
        printf("task0.\n");
    }
}

void *task1(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf("task1.\n");
    }
}

int main(void)
{
    pthread_attr_t attr;
    struct sched_param parm;
    pthread_t tid0, tid1;
    void* retval;

    pthread_attr_init(&attr);

    pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED); //不继承创建者的调度策略，而是设置以下的调度
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO); //为线程属性设置调度策略

    parm.sched_priority = 1;					// 设置线程优先级
    pthread_attr_setschedparam(&attr,&parm);	// 设置线程优先级

    pthread_create(&tid0, &attr, task0, NULL);  // 为线程task0设置优先级
    pthread_create(&tid1, NULL , task1, NULL);  // 让线程task1使用默认优先级

    while(1);

    // 等待线程的结束（实际上由于线程一直在循环中，所以main函数不会结束）
    pthread_join(tid0, &retval); // 等待线程的结束，并取返回值
    pthread_attr_destroy(&attr);
    pthread_join(tid1, &retval); // 等待线程的结束，并取返回值

}

设置线程的竞争作用域

线程的竞争作用域：表示线程间竞争CPU的范围，也就是说线程优先级的有效范围。

int pthread_attr_setscope（pthread_attr_t*attr，int scope）；
int pthread_attr_getscope（const pthread_attr_t*attr，int*scope）；

描述：设置线程的竞争范围。

使用前，需要将pthread_attr_setinheritsched设置为PTHREAD_EXPLICIT_SCHED

参数解析：

scope：

• PTHREAD_SCOPE_SYSTEM ：与系统中所有线程一起竞争CPU时间
• PTHREAD_SCOPE_PROCESS：仅与同进程中的线程竞争CPU。

根据man pthread_attr_setscope 的结果来看目前LinuxThreads仅实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

Linux supports PTHREAD_SCOPE_SYSTEM, but not PTHREAD_SCOPE_PROCESS

设置堆栈

线程可以设置堆栈地址(stackaddr)与大小(stacksize)。对于大部分程序是应该避免使用的。

如果使用attr创建多个线程，则调用方必须在对pthread_create()的调用之间更改堆栈地址属性；否则，线程将尝试为其堆栈使用相同的内存区域，随后将出现混乱。

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr,
                          void *stackaddr, size_t stacksize);
// 或者由这2个函数分别设置
int pthread_attr_setstackaddr(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr);
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);

int pthread_attr_getstack(const pthread_attr_t *attr,
                          void **stackaddr, size_t *stacksize);
int pthread_attr_getstackaddr(const pthread_attr_t *attr, void **stackaddr);
int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);

int pthread_attr_setguardsize(pthread_attr_t *attr, size_t guardsize);
int pthread_attr_getguardsize(const pthread_attr_t *attr, size_t *guardsize);

当应用程序使用pthread_attr_setstack()时，它将接管分配堆栈的责任；此时，pthread_attr_setguardsize()设置的任何保护大小值都将被忽略。如果认为有必要，应用程序有责任分配一个保护区（防止读写的一个或多个页面）来处理堆栈溢出的可能性。

stackaddr中指定的地址应该适当对齐：为了完全可移植，请在页面边界（sysconf(_SC_PAGESIZE)）上对齐它。posix_memalign()可用于分配。

stacksize也应该是系统页面大小的倍数。

关于大小

默认情况下线程保留1M的，而且会在堆栈的顶增加一个空闲的内存页，当访问该内存页的时候就会触发SIGSEGV信号，如果开发者设置了stack size那么就需要用户制定这个多余的内存页并且通过mprotect函数设置保护标志，而且它必须设置调用pthread_attr_setdetachstate 且设置PTHREAD_CREATE_JOINABLE模式，因为只有其他线程调用pthread_join后分配的资源才会被释放， 线程的堆栈的分配必须大于一个最小值PTHREAD_STACK_MIN() 。当分配内的时候会设置MAP_NORESERVE标志(mmap)，这个标志表示不预留交换空间，当对该内存进行写的时候，如果系统不能分配到交换空间，那么就会触发SIGSEGV信号，如果可以分配到交换空间，那么就会把private page复制到交换空间。如果mmap没有指定MAP_NORESERVE，在分配空间的时候就会保留和映射区域相同大小的交换空间(这个其实就是资源的滞后分配原则)

关于地址

如果线程地址为NULL，那么pthread分配指定的内存(1M)或者是指定的堆栈大小，如果设定了堆栈的地址那么内存的分配必须由开发者设定，例如：

stackbase = (void *) malloc(size);
ret = pthread_attr_setstacksize(&tattr, size);
ret = pthread_attr_setstackaddr(&tattr, stackbase);
ret = pthread_create(&tid, &tattr, func, arg);

affinity 设置线程亲和性

线程的亲和性

CPU 亲和性（affinity） 就是进程要在某个给定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器的倾向性。Linux 内核进程调度器天生就具有被称为 软 CPU 亲和性（affinity） 的特性，这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移。这种状态正是我们希望的，因为进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。

亲和性分为软亲和性与硬亲和性2种：

• 软亲和性 ：进程并不会在处理器之间频繁迁移
• 硬亲和性：进程需要在您指定的处理器上运行

CPU的数量与表示

在有n个CPU的Linux上，CPU是用0...n-1来进行一一标识的。

CPU的数量可以通过proc文件系统下的CPU相关文件得到，如cpuinfo和stat：

cat /proc/stat | grep "^cpu[0-9]\+" | wc -l

在系统编程中，可以直接调用库调用sysconf获得：sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN);

#define  _GNU_SOURCE

int pthread_attr_setaffinity_np(pthread_attr_t *attr,
                                size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
int pthread_attr_getaffinity_np(const pthread_attr_t *attr,
                                size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);

/* 运行时设置 */
int pthread_setaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize,
                           const cpu_set_t *cpuset);
int pthread_getaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize,
                           cpu_set_t *cpuset);

/*
	cpu_set_t：可以理解为一个CPU的集合，通过约定好的宏进行清除，设置以及判断
*/

void CPU_ZERO(cpu_set_t  *set); //(初始化操作)
void CPU_SET(int cpu,cpu_set_t *set)；//(将某个cpu加进cpu集里)
    void CPU_CLR(int cpu,cpu_set_t *set);//(将某个cpu清除出cpu集里)
void CPU_ISSET(int cpu,const cpu_set_t *set);// (判断某个cpu是不是在cpu集里)

在 Linux 内核中，所有的进程都有一个相关的数据结构，称为 task_struct。这个结构非常重要，原因有很多；其中与 亲和性（affinity）相关度最高的是 cpus_allowed 位掩码。这个位掩码由 n 位组成，与系统中的 n 个逻辑处理器一一对应。 具有 4 个物理 CPU 的系统可以有 4 位。如果这些 CPU 都启用了超线程，那么这个系统就有一个 8 位的位掩码。

如果为给定的进程设置了给定的位，那么这个进程就可以在相关的 CPU 上运行。因此，如果一个进程可以在任何 CPU 上运行，并且能够根据需要在处理器之间进行迁移，那么位掩码就全是 1。实际上，这就是 Linux 中进程的缺省状态。

例程

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <pthread.h>
cpu_set_t cpuset,cpuget;
double waste_time(long n)
{
    double res = 0;
    long i = 0;
    while (i <n * 200000000) {
        i++;
        res += sqrt(i);
    }
    return res;
}

void *thread_func(void *param)
{
    CPU_ZERO(&cpuset);
    CPU_SET(0, &cpuset); /* cpu 0 is in cpuset now */
    /* bind process to processor 0 */
    if (pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(cpu_set_t), &cpuset) !=0) {
        perror("pthread_setaffinity_np");
    }
    printf("Core 0 is running!\n");
    /* waste some time so the work is visible with "top" */
    printf("result: %f\n", waste_time(5));
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t my_thread;
    time_t startwtime, endwtime;
    startwtime = time (NULL);
    if (pthread_create(&my_thread, NULL, thread_func,NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
    }
    pthread_join(my_thread,NULL);
    endwtime = time (NULL);
    printf ("wall clock time = %d\n", (endwtime - startwtime));
    return 0;
}