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Pthread

2016-06-14 15:20 232 查看
转自:http://blog.chinaunix.net/uid-21084809-id-2215376.html

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1.线程特点
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2.pthread创建
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3.pthread终止
        - 4.mutex互斥量使用框架
        - 5.cond条件变量
        - 6.综合实例
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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

while (1) {

  lock(lock_for_X);

  if (X is not empty) {

    unlock(lock_for_X);

    break;

  } else { //X is empty, loop continues

    unlock(lock_for_X);

    sleep(10);

  }

}

//X is not empty, loop ends

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:

while (1) {

  lock(lock_for_X);

  if (X is not empty) { 

    unlock(lock_for_X);

    break;

  } else {

    unlock(lock_for_X); //must
called before my_wait(), otherwise no one can acquire the lock and make
change to X

    -------------------------------------->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!

    my_wait(); //go to sleep and wait for the
notification

  }

}

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:

lock(lock_for_X);

while (X is empty) {

  pthread_cond_wait(&qready, &lock_for_X);

}

unlock(lock_for_X);

B中没有调用pthread_wait,而是做类似如下的处理:

while(1) { 

  lock(lock_for_X);

  dequeue(X);

  unlock(lock_for_X);

}

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

6. 综合实例

/*

 * =====================================================================================

 *

 * Filename: pthread.c

 *

 * Description: 

 *

 * Version: 1.0

 * Created: 08/17/11
11:06:35

 * Revision: none

 * Compiler: gcc

 *

 * Author: YOUR NAME (), 

 * Company: 

 *

 * =====================================================================================

 */

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include <error.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

pthread_cond_t qready;

pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

struct foo {

    int cnt;

    pthread_mutex_t f_lock;

};

void cleanup(void *arg)

{

    printf("clean up: %s\n", (char *)arg);

}

void printids(char *str)

{

    printf("%s pid = %u tid = %u / 0x%x\n", 

            str, (unsigned int)getpid(), (unsigned int)pthread_self(), (unsigned int)pthread_self());

}

void *thread1(void *arg)

{

    pthread_mutex_lock(&qlock);

    pthread_cond_wait(&qready, &qlock);

    pthread_mutex_unlock(&qlock);

    printids("thread1:");

    

    pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 first cleanup handler");

    pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 1 second cleanup handler");

    printf("thread 1 push complete!\n");

    

    pthread_mutex_lock(&((struct
foo *)arg)->f_lock);

    ((struct foo *)arg)->cnt ;

    printf("thread1: cnt = %d\n", ((struct
foo *)arg)->cnt);

    pthread_mutex_unlock(&((struct
foo *)arg)->f_lock);

    if (arg) 

        return ((void *)0);

    

    pthread_cleanup_pop(0);

    pthread_cleanup_pop(0);

    pthread_exit((void *)1);

}

void *thread2(void *arg)

{

    int exit_code = -1;

    printids("thread2:");

    

    printf("Now unlock thread1\n");

    pthread_mutex_lock(&qlock);

    pthread_mutex_unlock(&qlock);

    pthread_cond_signal(&qready);

    printf("Thread1 unlocked\n");

    pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 first cleanup handler");

    pthread_cleanup_push(cleanup, "thread 2 second cleanup handler");

    printf("thread 2 push complete!\n");

    

    if (arg) 

        pthread_exit((void *)exit_code);

    pthread_cleanup_pop(0);

    pthread_cleanup_pop(0);

    

    pthread_exit((void *)exit_code);

}

int main(int argc, char *argv[])

{

    int ret;

    pthread_t tid1, tid2;

    void *retval;

    struct foo *fp;

    ret = pthread_cond_init(&qready, NULL);

    if (ret != 0) {

        printf("pthread_cond_init error: %s\n", strerror(ret));

        return -1;

    }

    if ((fp = malloc(sizeof(struct
foo))) == NULL) {

        printf("malloc failed!\n");

        return -1;

    }

    if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != 0) {

        free(fp);

        printf("init mutex failed!\n");

    }

    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);

    ret = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, (void *)fp);

    if (ret != 0) {

        printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));

        return -1;

    }

    ret = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, (void *)1);

    if (ret != 0) {

        printf("main thread error: %s\n", strerror(ret));

        return -1;

    }

    

    ret = pthread_join(tid2, &retval);

    if (ret != 0) {

        printf("pthread join falied!\n");

        return -1;

    }

    else

        printf("thread2 exit code %d\n", (int)retval);

    fp->cnt = 1;

    printf("main thread: cnt = %d\n",fp->cnt);

    pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);

    sleep(1);    //there is no
guarantee the main thread will run before the newly created thread, so we wait for a while 

    printids("main thread:");

    printf("Press to exit\n");

    ret = pthread_cond_destroy(&qready);

    if (ret != 0) {

        printf("pthread_cond_destroy error: %s\n", strerror(ret));

        return -1;

    }

    getchar();

    return 0;

}
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