pthread 多執行緒基礎

sinkinben發表於2020-11-16

thread執行緒

本文主要介紹如何通過 pthread 庫進行多執行緒程式設計，並通過以下例子進行說明。

基於萊布尼茲級數計算 \(\pi\) .
多執行緒歸併排序

參考文章：

[1] https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads

API 介紹

pthread_create

作用：新建一個執行緒。

函式原型：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

引數解析：

pthread_t *thread 用於快取新執行緒的 pid .
const pthread_attr_t *attr 制定新執行緒的 attr ，如果為 NULL，那麼將使用預設的 attr 。
start_routine 是新執行緒即將進入的執行函式。
arg 向新執行緒傳遞的某些引數，一般封裝為結構體傳入。

執行緒的中止可以通過以下方式：

呼叫 pthread_exit(void *retval) , 其中 retval 可以通過 pthread_join 獲得。
在 start_routine 函式直接 return .
該執行緒被取消 (See pthread_cancel) .
執行緒所屬的程式呼叫了 exit , 或者該程式的 main 函式中執行了 return .

pthread_join

等待某個執行緒結束。

函式原型：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

引數解析：

thread 是某個執行緒的 pid .
retval 用於獲取執行緒 start_routine 的返回值 .

基本用法請看下面的「雙執行緒計算 \(\pi\)」，該例子同時能夠回答為什麼 retval 是 void** 型別而不是 void * 型別。

pthread_attr_t

pthread_attr_t 的定義如下：

struct __pthread_attr
{
    struct sched_param __schedparam;
    void *__stackaddr;
    size_t __stacksize;
    size_t __guardsize;
    enum __pthread_detachstate __detachstate;
    enum __pthread_inheritsched __inheritsched;
    enum __pthread_contentionscope __contentionscope;
    int __schedpolicy;
};

與之相關的 API，請看：

man pthread_attr

Examples

建立執行緒

下面是一個簡單的多執行緒例子，用於演示 pthread_create 和 pthread_join 的基本用法。

該例子建立 4 個執行緒，通過 order[i] 分別標號，執行緒的工作內容是輸出本執行緒的標號。

所涵蓋的知識點：

如何建立執行緒
如何向執行緒傳遞引數：通過對 void *arg 進行強制型別轉換實現。
pthread_join 的作用：如果去掉 pthread_join 呼叫，那麼程式很可能是沒有輸出的。因為在進入各個執行緒的 worker 函式時，main 函式已經結束，這時候所有執行緒都被強制終止。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
const int N = 4;
void* worker(void *arg)
{
    int *pid = (int *)arg;
    printf("%d ", *pid);
    return NULL;
}
int main()
{
    pthread_t pid[N] = {0};
    const int order[] = {0, 1, 2, 3};
    int i = 0;
    for (; i < N; i++)
        pthread_create(&pid[i], NULL, worker, (void *)&order[i]);
    for (i = 0; i < N; i++)
        pthread_join(pid[i], NULL);
    return 0;
}

雙執行緒計算 π

要求：

基於萊布尼茲級數：1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - ... = PI/4
使用主執行緒 + 輔助執行緒的方式

涵蓋知識點：

如何向不同的執行緒傳遞不同引數
如何獲取執行緒的結果

程式碼實現：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
const int N = 1e8;
typedef struct { int start, end; } param_t;
typedef struct { double value; } result_t;
void *worker(void *arg)
{
    param_t *param = (param_t *)arg;
    result_t *res = (result_t *)malloc(sizeof(result_t));
    int i = param->start;
    for (; i <= param->end; i++)
    {
        if (i % 2) res->value += 1.0 / (2 * i - 1);
        else res->value -= 1.0 / (2 * i - 1);
    }
    return res;
}

double master(void *arg)
{
    double res = 0.0;
    param_t *param = (param_t *)arg;
    int i = param->start;
    for (; i <= param->end; i++)
    {
        if (i % 2) res += 1.0 / (2 * i - 1);
        else res -= 1.0 / (2 * i - 1);
    }
    return res;
}

int main()
{
    pthread_t tid = 0;
    param_t p1 = {1, N / 2}, p2 = {N / 2 + 1, N};
    pthread_create(&tid, NULL, worker, &p2);
    double val = master(&p1);
    result_t *res = NULL;
    pthread_join(tid, (void **)&res);
    printf("PI = %f\n", 4 * (val + res->value));
    free(res);
}

多執行緒計算 π

要求：

適應 N 核心的 CPU
不能使用全域性變數，必須通過傳遞引數與 join 獲取返回值實現