POSIX執行緒詳解 (轉)

POSIX執行緒詳解 (轉)[@more@]

Daniel Robbins
總裁/CEO, Gentoo Technologies, Inc.
2000 年 7 月

POSIX（可移植操作介面）執行緒是提高程式碼響應和的有力手段。在本系列中，Daniel Robbins 向您精確地展示在中如何使用執行緒。其中還涉及大量幕後細節，讀完本系列文章，您完全可以運用 POSIX 執行緒建立多執行緒

執行緒是有趣的
瞭解如何正確運用執行緒是每一個優秀程式設計師必備的素質。執行緒類似於程式。如同程式，執行緒由核心按時間分片進行管理。在單系統中，核心使用時間分片來模擬執行緒的併發，這種方式和程式的相同。而在多處理器系統中，如同多個程式，執行緒實際上一樣可以併發執行。

那麼為什麼對於大多數合作性任務，多執行緒比多個獨立的程式更優越呢？這是因為，執行緒共享相同的空間。不同的執行緒可以存取記憶體中的同一個變數。所以，程式中的所有執行緒都可以讀或寫宣告過的全域性變數。如果曾用 fork() 編寫過重要程式碼，就會認識到這個工具的重要性。為什麼呢？雖然 fork() 允許建立多個程式，但它還會帶來以下通訊問題: 如何讓多個程式相互通訊，這裡每個程式都有各自獨立的記憶體空間。對這個問題沒有一個簡單的答案。雖然有許多不同種類的本地 IPC (程式間通訊），但它們都遇到兩個重要障礙：

• 強加了某種形式的額外核心開銷，從而降低效能。
• 對於大多數情形，IPC 不是對於程式碼的“自然”擴充套件。通常極大地增加了程式的複雜性。

 

雙重壞事: 開銷和複雜性都非好事。如果曾經為了支援 IPC 而對程式大動干戈過，那麼您就會真正欣賞執行緒提供的簡單共享記憶體機制。由於所有的執行緒都駐留在同一記憶體空間，POSIX 執行緒無需進行開銷大而複雜的長距離。只要利用簡單的同步機制，程式中所有的執行緒都可以讀取和修改已有的資料結構。而無需將資料經由描述符轉儲或擠入緊窄的共享記憶體空間。僅此一個原因，就足以讓您考慮應該採用單程式/多執行緒而非多程式/單執行緒模式。

執行緒是快捷的
不僅如此。執行緒同樣還是非常快捷的。與標準 fork() 相比，執行緒帶來的開銷很小。核心無需單獨複製程式的記憶體空間或檔案描述符等等。這就節省了大量的 時間，使得執行緒建立比新程式建立快上十到一百倍。因為這一點，可以大量使用執行緒而無需太過於擔心帶來的 CPU 或記憶體不足。使用 fork() 時導致的大量 CPU 佔用也不復存在。這表示只要在程式中有意義，通常就可以建立執行緒。

當然，和程式一樣，執行緒將利用多 CPU。如果是針對多處理器系統設計的，這就真的是一大特性（如果軟體是開放原始碼，則最終可能在不少平臺上執行）。特定型別執行緒程式（尤其是 CPU 密集型程式）的效能將隨系統中處理器的數目幾乎線性地提高。如果正在編寫 CPU 非常密集型的程式，則絕對想設法在程式碼中使用多執行緒。一旦掌握了執行緒編碼，無需使用繁瑣的 IPC 和其它複雜的通訊機制，就能夠以全新和創造性的方法解決編碼難題。所有這些特性配合在一起使得多執行緒程式設計更有趣、和靈活。

執行緒是可移植的
如果熟悉 程式設計，就有可能知道 __clone() 系統呼叫。__clone() 類似於 fork()，同時也有許多執行緒的特性。例如，使用 __clone()，新的子程式可以有選擇地共享父程式的執行環境（記憶體空間，檔案描述符等）。這是好的一面。但 __clone() 也有不足之處。正如__clone() 線上幫助指出：

“__clone 呼叫是特定於 Linux 平臺的，不適用於實現可移植的程式。欲編寫執行緒化應用程式（多執行緒控制同一記憶體空間），最好使用實現 POSIX 1003.1c 執行緒 的庫，例如 Linux-Threads 庫。參閱 pthread_create(3thr)。”

雖然 __clone() 有執行緒的許多特性，但它是不可移植的。當然這並不意味著程式碼中不能使用它。但在軟體中考慮使用 __clone() 時應當權衡這一事實。值得慶幸的是，正如 __clone() 線上幫助指出，有一種更好的替代方案：POSIX 執行緒。如果想編寫可移植的多執行緒程式碼，程式碼可執行於 、Free、Linux 和其它平臺，POSIX 執行緒是一種當然之選。

第一個執行緒
下面是一個 POSIX 執行緒的簡單示例程式：

#include #include #include void *thread_function(void *arg) { int i; for ( i=0; i<20; i++) { printf("Thread says hi!n"); sleep(1); } return NULL; } int main(void) { pthread_t mythread; if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) { printf("error creating thread."); abort(); } if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) { printf("error joining thread."); abort(); } exit(0); }

要編譯這個程式，只需先將程式存為 thread1.c，然後輸入：

$ gcc thread1.c -o thread1 -lpthread

執行則輸入：

$ ./thread1

理解 thread1.c
thread1.c 是一個非常簡單的執行緒程式。雖然它沒有實現什麼有用的功能，但可以幫助理解執行緒的執行機制。下面，我們一步一步地瞭解這個程式是幹什麼的。main() 中宣告瞭變數 mythread，型別是 pthread_t。pthread_t 型別在 pthread.h 中定義，通常稱為“執行緒 id”（縮寫為 "tid"）。可以認為它是一種執行緒控制程式碼。

mythread 宣告後（記住 mythread 只是一個 "tid"，或是將要建立的執行緒的控制程式碼），呼叫 pthread_create 建立一個真實活動的執行緒。不要因為 pthread_create() 在 "if" 語句內而受其迷惑。由於 pthread_create() 執行成功時返回零而失敗時則返回非零值，將 pthread_create() 函式呼叫放在 if() 語句中只是為了方便地檢測失敗的呼叫。讓我們檢視一下 pthread_create 引數。第一個引數 &mythread 是指向 mythread 的指標。第二個引數當前為 NULL，可用來定義執行緒的某些屬性。由於預設的執行緒屬性是適用的，只需將該引數設為 NULL。

第三個引數是新執行緒啟動時呼叫的函式名。本例中，函式名為 thread_function()。當 thread_function() 返回時，新執行緒將終止。本例中，執行緒函式沒有實現大的功能。它僅將 "Thread says hi!" 輸出 20 次然後退出。注意 thread_function() 接受 void * 作為引數，同時返回值的型別也是 void *。這表明可以用 void * 向新執行緒傳遞任意型別的資料，新執行緒完成時也可返回任意型別的資料。那如何向執行緒傳遞一個任意引數？很簡單。只要利用 pthread_create() 中的第四個引數。本例中，因為沒有必要將任何資料傳給微不足道的 thread_function()，所以將第四個引數設為 NULL。

您也許已推測到，在 pthread_create() 成功返回之後，程式將包含兩個執行緒。等一等，兩個執行緒？我們不是隻建立了一個執行緒嗎？不錯，我們只建立了一個程式。但是主程式同樣也是一個執行緒。可以這樣理解：如果編寫的程式根本沒有使用 POSIX 執行緒，則該程式是單執行緒的（這個單執行緒稱為“主”執行緒）。建立一個新執行緒之後程式總共就有兩個執行緒了。

我想此時您至少有兩個重要問題。第一個問題，新執行緒建立之後主執行緒如何執行。答案，主執行緒按順序繼續執行下一行程式（本例中執行 "if (pthread_join(...))"）。第二個問題，新執行緒結束時如何處理。答案，新執行緒先停止，然後作為其清理過程的一部分，等待與另一個執行緒合併或“連線”。

現在，來看一下 pthread_join()。正如 pthread_create() 將一個執行緒拆分為兩個， pthread_join() 將兩個執行緒合併為一個執行緒。pthread_join() 的第一個引數是 tid mythread。第二個引數是指向 void 指標的指標。如果 void 指標不為 NULL，pthread_join 將執行緒的 void * 返回值放置在指定的位置上。由於我們不必理會 thread_function() 的返回值，所以將其設為 NULL.

您會注意到 thread_function() 花了 20 秒才完成。在 thread_function() 結束很久之前，主執行緒就已經呼叫了 pthread_join()。如果發生這種情況，主執行緒將中斷（轉向睡眠）然後等待 thread_function() 完成。當 thread_function() 完成後, pthread_join() 將返回。這時程式又只有一個主執行緒。當程式退出時，所有新執行緒已經使用 pthread_join() 合併了。這就是應該如何處理在程式中建立的每個新執行緒的過程。如果沒有合併一個新執行緒，則它仍然對系統的最大執行緒數限制不利。這意味著如果未對執行緒做正確的清理，最終會導致 pthread_create() 呼叫失敗。

無父，無子
如果使用過 fork() 系統呼叫，可能熟悉父程式和子程式的概念。當用 fork() 建立另一個新程式時，新程式是子程式，原始程式是父程式。這建立了可能非常有用的層次關係，尤其是等待子程式終止時。例如，waitpid() 函式讓當前程式等待所有子程式終止。waitpid() 用來在父程式中實現簡單的清理過程。

而 POSIX 執行緒就更有意思。您可能已經注意到我一直有意避免使用“父執行緒”和“子執行緒”的說法。這是因為 POSIX 執行緒中不存在這種層次關係。雖然主執行緒可以建立一個新執行緒，新執行緒可以建立另一個新執行緒，POSIX 執行緒標準將它們視為等同的層次。所以等待子執行緒退出的概念在這裡沒有意義。POSIX 執行緒標準不記錄任何“家族”資訊。缺少家族資訊有一個主要含意：如果要等待一個執行緒終止，就必須將執行緒的 tid 傳遞給 pthread_join()。執行緒庫無法為您斷定 tid。

對大多數開發者來說這不是個好訊息，因為這會使有多個執行緒的程式複雜化。不過不要為此擔憂。POSIX 執行緒標準提供了有效地管理多個執行緒所需要的所有工具。實際上，沒有父/子關係這一事實卻為在程式中使用執行緒開闢了更創造性的方法。例如，如果有一個執行緒稱為執行緒 1，執行緒 1 建立了稱為執行緒 2 的執行緒，則執行緒 1 自己沒有必要呼叫 pthread_join() 來合併執行緒 2，程式中其它任一執行緒都可以做到。當編寫大量使用執行緒的程式碼時，這就可能允許發生有趣的事情。例如，可以建立一個包含所有已停止執行緒的全域性“死執行緒列表”，然後讓一個專門的清理執行緒專等停止的執行緒加到列表中。這個清理執行緒呼叫 pthread_join() 將剛停止的執行緒與自己合併。現在，僅用一個執行緒就巧妙和有效地處理了全部清理。

同步漫遊
現在我們來看一些程式碼，這些程式碼做了一些意想不到的事情。thread2.c 的程式碼如下：

#include #include #include #include int myglobal; void *thread_function(void *arg) { int i,j; for ( i=0; i<20; i++) { j=myglobal; j=j+1; printf("."); fflush(stdout); sleep(1); myglobal=j; } return NULL; } int main(void) { pthread_t mythread; int i; if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) { printf("error creating thread."); abort(); } for ( i=0; i<20; i++) { myglobal=myglobal+1; printf("o"); fflush(stdout); sleep(1); } if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) { printf("error joining thread."); abort(); } printf("nmyglobal equals %dn",myglobal); exit(0); }

理解 thread2.c
如同第一個程式，這個程式建立一個新執行緒。主執行緒和新執行緒都將全域性變數 myglobal 加一 20 次。但是程式本身產生了某些意想不到的結果。編譯程式碼請輸入：

$ gcc thread2.c -o thread2 -lpthread

執行請輸入：

$ ./thread2

輸出：

$ ./thread2 ..o.o.o.o.oo.o.o.o.o.o.o.o.o.o..o.o.o.o.o myglobal equals 21

非常意外吧！因為 myglobal 從零開始，主執行緒和新執行緒各自對其進行了 20 次加一, 程式結束時 myglobal 值應當等於 40。由於 myglobal 輸出結果為 21，這其中肯定有問題。但是究竟是什麼呢？

放棄嗎？好，讓我來解釋是怎麼一回事。首先檢視函式 thread_function()。注意如何將 myglobal 複製到區域性變數 "j" 了嗎? 接著將 j 加一, 再睡眠一秒，然後到這時才將新的 j 值複製到 myglobal？這就是關鍵所在。設想一下，如果主執行緒就在新執行緒將 myglobal 值複製給 j 後立即將 myglobal 加一，會發生什麼？當 thread_function() 將 j 的值寫回 myglobal 時，就覆蓋了主執行緒所做的修改。

當編寫執行緒程式時，應避免產生這種無用的副作用，否則只會浪費時間（當然，除了編寫關於 POSIX 執行緒的文章時有用）。那麼，如何才能排除這種問題呢？

由於是將 myglobal 複製給 j 並且等了一秒之後才寫回時產生問題，可以嘗試避免使用臨時區域性變數並直接將 myglobal 加一。雖然這種解決方案對這個特定例子適用，但它還是不正確。如果我們對 myglobal 進行相對複雜的數學運算，而不是簡單的加一，這種方法就會失效。但是為什麼呢？

要理解這個問題，必須記住執行緒是併發執行的。即使在單處理器系統上執行（核心利用時間分片模擬多工）也是可以的，從程式設計師的角度，想像兩個執行緒是同時執行的。thread2.c 出現問題是因為 thread_function() 依賴以下論據：在 myglobal 加一之前的大約一秒鐘期間不會修改 myglobal。需要有些途徑讓一個執行緒在對 myglobal 做更改時通知其它執行緒“不要靠近”。下一篇文章中講解如何做到這一點。

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