Posix執行緒程式設計指南(1)-執行緒建立與取消 (轉)

Posix執行緒程式設計指南(1)-執行緒建立與取消 (轉)[@more@]楊沙洲
2001 年 10 月

這是一個關於Posix執行緒的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix執行緒庫。本文是第一篇將向您講述執行緒的建立與取消。

1．1 執行緒與程式
相對程式而言，執行緒是一個更加接近於體的概念，它可以與同程式中的其他執行緒共享資料，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執行序列。在基礎上引入執行緒和程式是為了提高程式的併發度，從而提高程式執行和響應時間。

執行緒和程式在使用上各有優缺點：執行緒執行開銷小，但不利於資源的管理和保護；而程式正相反。同時，執行緒適合於在SMP機器上執行，而程式則可以跨機器遷移。

1．2 建立執行緒
POSIX透過pthread_create()建立執行緒，API定義如下：

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

與fork()建立一個程式的方法不同，pthread_create()建立的執行緒並不具備與主執行緒（即呼叫pthread_create()的執行緒）同樣的執行序列，而是使其執行start_routine(arg)函式。thread返回建立的執行緒ID，而attr是建立執行緒時設定的執行緒屬性（見下）。pthread_create()的返回值表示執行緒建立是否成功。儘管arg是void *型別的變數，但它同樣可以作為任意型別的引數傳給start_routine()函式；同時，start_routine()可以返回一個void *型別的返回值，而這個返回值也可以是其他型別，並由pthread_join()獲取。

1．3 執行緒建立屬性
pthread_create()中的attr引數是一個結構指標，結構中的元素分別對應著新執行緒的執行屬性，主要包括以下幾項：

__detachstate，表示新執行緒是否與程式中其他執行緒脫離同步，如果置位則新執行緒不能用pthread_join()來同步，且在退出時自行釋放所佔用的資源。預設為PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。這個屬性也可以線上程建立並執行以後用pthread_detach()來設定，而一旦設定為PTHREAD_CREATE_DETACH狀態（不論是建立時設定還是執行時設定）則不能再恢復到PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。

__schedpolicy，表示新執行緒的排程策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非實時）、SCHED_RR（實時、輪轉法）和SCHED_FIFO（實時、先入先出）三種，預設為SCHED_OTHER，後兩種排程策略僅對超級有效。執行時可以用過pthread_setschedparam()來改變。

__schedparam，一個struct sched_param結構，目前僅有一個sched_priority整型變數表示執行緒的執行優先順序。這個引數僅當排程策略為實時（即SCHED_RR或SCHED_FIFO）時才有效，並可以在執行時透過pthread_setschedparam()函式來改變，預設為0。

__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表示新執行緒使用顯式指定排程策略和排程引數（即attr中的值），而後者表示繼承呼叫者執行緒的值。預設為PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__pe，表示執行緒間競爭的範圍，也就是說執行緒優先順序的有效範圍。POSIX的標準中定義了兩個值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示與中所有執行緒一起競爭CPU時間，後者表示僅與同程式中的執行緒競爭CPU。目前Threads僅實現了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t結構中還有一些值，但不使用pthread_create()來設定。

為了設定這些屬性，POSIX定義了一系列屬性設定函式，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個屬性相關的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函式。

1．4 執行緒建立的Linux實現
我們知道，Linux的執行緒實現是在核外進行的，核內提供的是建立程式的介面do_fork()。核心提供了兩個系統呼叫__clone()和fork()，最終都用不同的引數呼叫do_fork()核內API。當然，要想實現執行緒，沒有核心對多程式（其實是輕量級程式）共享資料段的支援是不行的，因此，do_fork()提供了很多引數，包括CLONE_VM（共享空間）、CLONE_FS（共享系統資訊）、CLONE_FILES（共享檔案描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享訊號控制程式碼表）和CLONE_PID（共享程式ID，僅對核內程式，即0號程式有效）。當使用fork系統呼叫時，核心呼叫do_fork()不使用任何共享屬性，程式擁有獨立的執行環境，而使用pthread_create()來建立執行緒時,則最終設定了所有這些屬性來呼叫__clone()，而這些引數又全部傳給核內的do_fork()，從而建立的"程式"擁有共享的執行環境，只有棧是獨立的，由__clone()傳入。

Linux執行緒在核內是以輕量級程式的形式存在的，擁有獨立的程式表項，而所有的建立、同步、刪除等操作都在核外pthread庫中進行。pthread庫使用一個管理執行緒（__pthread_manager()，每個程式獨立且唯一）來管理執行緒的建立和終止，為執行緒分配執行緒ID，傳送執行緒相關的訊號（比如Cancel），而主執行緒（pthread_create()）的呼叫者則透過管道將請求資訊傳給管理執行緒。

2．1 執行緒取消的定義
一般情況下，執行緒在其主體函式退出的時候會自動終止，但同時也可以因為接收到另一個執行緒發來的終止（取消）請求而強制終止。

2．2 執行緒取消的語義
執行緒取消的方法是向目標執行緒發Cancel訊號，但如何處理Cancel訊號則由目標執行緒自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續執行至Cancelation-point（取消點），由不同的Cancelation狀態決定。

執行緒接收到CANCEL訊號的預設處理（即pthread_create()建立執行緒的預設狀態）是繼續執行至取消點，也就是說設定一個CANCELED狀態，執行緒繼續執行，只有執行至Cancelation-point的時候才會退出。

2．3 取消點
根據POSIX標準，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函式以及read()、write()等會引起阻塞的系統呼叫都是Cancelation-point，而其他pthread函式都不會引起Cancelation動作。但是pthread_cancel的手冊頁聲稱，由於LinuxThread庫與C庫結合得不好，因而目前C庫函式都不是Cancelation-point；但CANCEL訊號會使執行緒從阻塞的系統呼叫中退出，並置EINTR錯誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統呼叫前後呼叫pthread_testcancel()，從而達到POSIX標準所要求的目標，即如下程式碼段：

pthread_testcancel(); retcode = read(fd, buffer, length); pthread_testcancel();

2．4 方面的考慮
如果執行緒處於無限迴圈中，且迴圈體內沒有執行至取消點的必然路徑，則執行緒無法由外部其他執行緒的取消請求而終止。因此在這樣的迴圈體的必經路徑上應該加入pthread_testcancel()呼叫。

2．5 與執行緒取消相關的pthread函式
int pthread_cancel(pthread_t thread)
傳送終止訊號給thread執行緒，如果成功則返回0，否則為非0值。傳送成功並不意味著thread會終止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
設定本執行緒對Cancel訊號的反應，state有兩種值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（預設）和PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分別表示收到訊號後設為CANCLED狀態和忽略CANCEL訊號繼續執行；old_state如果不為NULL則存入原來的Cancel狀態以便恢復。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
設定本執行緒取消動作的執行時機，type由兩種取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，僅當Cancel狀態為Enable時有效，分別表示收到訊號後繼續執行至下一個取消點再退出和立即執行取消動作（退出）；oldtype如果不為NULL則存入運來的取消動作型別值。

void pthread_testcancel(void)
檢查本執行緒是否處於Canceld狀態，如果是，則進行取消動作，否則直接返回。

楊沙洲，男，現攻讀國防科大學院計算機方向博士學位。