POSIX线程基本概念

时间：2010-12-22 来源：ricky_pc

线程编程在smp体系结构处理并发时会被提及的比较多。它可以实现并发多道操作，常被称为轻量级的进程，因为它可以共享进程资源，省去了多进程切换时内核的上下文切换所用的花销。
多数Linux编程教材里面对POSIX线程的介绍占的篇幅并不多。Linux的fork对多进程的有较好的优化技术，而__clone系统调用相当于使用进程的方法实现线程。进程的另一个好处是稳定性，进程在退出时操作系统自动回收资源，而共享资源的线程需要程序员自己设计释放资源，积累的错误可能会使得程序崩溃。
线程和进程如何使用的关系，在不少unix尤其是linux编程的相关社区依然是经久不息的话题。这篇文章大致说了一下linux编程为什么多用进程而少用线程。而Gentoo创始人Daniel Robbins的这一篇相当好的线程入门文章。还有这篇。
我只是初学者，下面是我的学习笔记。

1、__clone函数调用

#include <sched.h>
int __clone(int (*fn)(void *fnarg), void *child_stack, int flags, void *arg);

Linux 可以通过__clone函数调用创建子进程来实现线程，__clone同时也可以实现fork。__clone的第一个参数是执行子进程时的调用函数指针，这个函数用一个void类型的指针作为参数，返回int整型；第二个参数为为子进程分配的堆栈指针，如果想让操作系统为它来分配，则设置为NULL，第三个为CLONE标志，作为调用选项，flags包括：CLONE_VM（是否设置则共享内存镜像，否则就类似于fork，子进程拷贝一份父进程的副本）、CLONE_FS（是否共享相同的根文件系统，当前动作目录和umask）、CLONE_FILES（是否共享文件描述符，否则子进程依然会继承父进程的文件描述符表，但它们的读/写/打开/关闭操作互不影响）、CLONE_SIGHAND（是否共享设置在父进程上的信号处理器，否则子进程自己拷贝一份副本，它们的sigaction互不影响）、CONE_PID（子进程是否继续使用父进程的pid）。最后一个参数arg可以设置为传递给*fn子函数的参数，注意类型是void，这意味着它是什么类型可以自己选择，包括NULL。

2、POSIX线程库的pthread API

pthread_create：创建一个线程

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

第一个参数为要创建的线程结构pthread_t，第二个参数为线程的相关属性，第三个参数是该线程要执行的函数的指针，第四个则是传递给*start_routine的参数，可以自行选择它的取值和用法。
pthread_create执行成功返回0，并把tid线程标识符存放到pthread_t结构中；否则返回一个非零值并设置errno。

pthread_exit：终止当前线程

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

pthread_exit退出当前线程，退出之前将调用pthread_cleanup_push。它在线程的最上层函数的最后是被隐式调用的，这时可以加一个retval参数显式调用之，以供pthread_join参考。

pthread_join：挂起当前线程

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t th, void **thread_return);

pthread_join把当前线程挂起直到指定的线程th终止，thread_return为th终止时的参数，如果没有显式指定，则为NULL。

pthread_cancel：撤消一个线程

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);
void pthread_testcancel(void);

pthread_cancel用于撤消线程thread。
pthread_setcancelstate 可以用于设置当前线程的撤消状态，包括PTHREAD_CANCEL_ENABLE和PTHREAD_CANCEL_DISABLE，允许或者忽略撤消。在一些关键操作中可以设置它以避免被另外一个线程用pthread_cancel来撤消。
pthread_setcanceltype设置当前线程的撤消类型，包括PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS立即撤消、PTHREAD_CANCEL_DEFERRED延迟至撤消点。可以通过调用pthread_testcancel或者使用条件变量来设置撤消点。

3、线程属性

线程属性包括：
detachstate ——分离或者切入状态，它的值有PTHREAD_CREATE_JOINABLE(默认值), PTHREAD_CREATE_DETACHED；
schedpolicy ——调度策略，取值有SCHED_OTHER(默认值), SCHED_FIFO, SCHED_FIFO；
schedparam ——跟调度策略有关；
inheritsched ——PTHREAD_EXPLICIT_SCHED(默认值), PTHREAD_INHERIT_SCHED；
scope —— 时间片，取值有PTHREAD_SCOPE_SYSTEM(默认值)，每个线程一个系统时间片，PTHREAD_SCOPE_PROCESS线程共享系统时间片。
线程属性对象的类型为pthread_attr_t，通过pthread_attr_xxxxx函数族操作线程属性对象。

4、pthread cleanup宏

pthrad cleanup宏主要用于处理线程的退出状态，pthread_exit和pthread_join等可以用它来作参数，包括

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void (*routine), (void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);
void pthread_cleanup_push_defer_np(void (*routine), (void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop_restore_np(int execute);

这些宏主要用于线程结束时释放有关资源，用pthread_exit调用pthread_cleanup_push进行处理时，要注意用完后要用对应的pthread_cleanup_pop把它从堆栈弹出。

5、互斥mutex

由于线程是共享资源的，所以互斥就显得相当重要。互斥提供了对互斥对象上锁的方法以获得对此资源的独占，其它企图对此互斥加锁的线程则会被阻塞而挂起，直到对资源加锁的线程解锁为止。
在使用线程编程时，不必处处都使用互斥，否则会失去并发线程的意义，例如，在对使用只能串行单独访问的资源下方使用互斥。
互斥对象在pthead.h中定义为pthread_mutex_t。它的系统调用主要包括：

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_init 创建一个互斥对象，并用指定的属性初始化这个互斥对象，初始化属性包括：PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER创建快速互斥，这种互斥执行简单的加锁和解锁，在加锁后阻塞另一个要给它上锁的线程；PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER创建递归互斥，这种互斥将给加锁计数，解锁时需要调用同样次数的pthread_mutex_unlock；
PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER创建检错互斥，这种互斥在被锁上后会向试图给它加锁的线程返回一个EDEADLK错误代码而不阻塞。

pthread_mutex_lock 和pthread_mutex_unlock则为加锁和解锁指定的互斥对象，pthread_mutex_trylock和 pthread_mutex_lock的不同是如果互斥对象已上锁不会被阻塞而是返回一个EBUSY错误代码，pthread_mutex_destory析构指针mutex并释放相关资源。这几个调用成功都返回0，失败返回一个非零的错误代码。

6、条件变量

线程用条件变量对象来阻塞自己以等待某个指定条件发生，条件对象在<pthread.h>中定义为pthread_cond_t。

#include <pthead.h>
pthread_cond_t cond = pthread_cond_initializer;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_init创建一个指向条件变量的指针，并用一个参数初始化该变量，这个参数在Linux下被忽略而使用PTHREAD_COND_INITIALIZER，而pthread_cond_t则析构该指针并释放相关系统资源。
线程在锁定一个互斥后，如果需要某个条件到来，则应调用等待所需条件，pthread_cond_wait将检查指定的条件，没有则把当前线程挂起，并解锁指定的互斥，在条件到达后重新锁定该互斥，并唤醒被挂起的线程。pthread_cond_timedwait则为计时等待，使用的abstime这个参数为和兼容time()返回值的绝对时间，即以经典的UNIX纪元时间1970-01-01起至今的秒数。如果这个时间前等待条件未发生，则结束等待并返回ETIMEOUT代码。这两个函数都将被设置为撤消点。
pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast用在一个线程解锁互斥后唤醒等待条件cond的线程，不同之处在于前者按顺序唤醒第一个进入等待队列的线程，后者唤醒等待该条件的所有线程。