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线程（thread）技术早在60年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在80年代中期，solaris是这方面的佼佼者。传统的Unix也支持线程的概念，但是在一个进程（process）中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括Windows/NT，当然，也包括Linux。
为什么有了进程的概念后，还要再引入线程呢？使用多线程到底有哪些好处？什么的系统应该选用多线程？我们首先必须回答这些问题。
使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。
使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。
除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：
1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。
2) 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。
3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。
下面我们先来尝试编写一个简单的多线程程序。
简单的多线程编程
Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。顺便说一下，Linux下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。clone（）是Linux所特有的系统调用，它的使用方式类似fork，关于clone（）的详细情况，有兴趣的读者可以去查看有关文档说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序example1.c。
| /* example.c*/ #include #include void thread(void) { int i; for(i=0;i<3;i++) printf("This is a pthread.n"); } int main(void) { pthread_t id; int i,ret; ret=pthread_create(&id,NULL,(void *) thread,NULL); if(ret!=0){ printf ("Create pthread error!n"); exit (1); } for(i=0;i<3;i++) printf("This is the main process.n"); pthread_join(id,NULL); return (0); } |
| gcc example1.c -lpthread -o example1 |
| This is the main process. This is a pthread. This is the main process. This is the main process. This is a pthread. This is a pthread. |
| This is a pthread. This is the main process. This is a pthread. This is the main process. This is a pthread. This is the main process. |
| extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,void *(*__start_routine) (void *), void *__arg)); |
| #include pthread_attr_t attr; pthread_t tid; /*初始化属性值，均设为默认值*/ pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM); pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL); |
| #include #include pthread_attr_t attr; pthread_t tid; sched_param param; int newprio=20; pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_getschedparam(&attr, ¶m); param.sched_priority=newprio; pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m); pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg); |
线程的数据处理
和进程相比，线程的最大优点之一是数据的共享性，各个进程共享父进程处沿袭的数据段，可以方便的获得、修改数据。但这也给多线程编程带来了许多问题。我们必须当心有多个不同的进程访问相同的变量。许多函数是不可重入的，即同时不能运行一个函数的多个拷贝（除非使用不同的数据段）。在函数中声明的静态变量常常带来问题，函数的返回值也会有问题。因为如果返回的是函数内部静态声明的空间的地址，则在一个线程调用该函数得到地址后使用该地址指向的数据时，别的线程可能调用此函数并修改了这一段数据。在进程中共享的变量必须用关键字volatile来定义，这是为了防止编译器在优化时（如gcc中使用-OX参数）改变它们的使用方式。为了保护变量，我们必须使用信号量、互斥等方法来保证我们对变量的正确使用。下面，我们就逐步介绍处理线程数据时的有关知识。
1、线程数据
在单线程的程序里，有两种基本的数据：全局变量和局部变量。但在多线程程序里，还有第三种数据类型：线程数据（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局变量很象，在线程内部，各个函数可以象使用全局变量一样调用它，但它对线程外部的其它线程是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。例如我们常见的变量errno，它返回标准的出错信息。它显然不能是一个局部变量，几乎每个函数都应该可以调用它；但它又不能是一个全局变量，否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。要实现诸如此类的变量，我们就必须使用线程数据。我们为每个线程数据创建一个键，它和这个键相关联，在各个线程里，都使用这个键来指代线程数据，但在不同的线程里，这个键代表的数据是不同的，在同一个线程里，它代表同样的数据内容。
和线程数据相关的函数主要有4个：创建一个键；为一个键指定线程数据；从一个键读取线程数据；删除键。
创建键的函数原型为：
| extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,void (*__destr_function) (void *))); |
| /* 声明一个键*/ pthread_key_t myWinKey; /* 函数 createWindow */ void createWindow ( void ) { Fl_Window * win; static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT; /* 调用函数createMyKey，创建键*/ pthread_once ( & once, createMyKey) ; /*win指向一个新建立的窗口*/ win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow"); /* 对此窗口作一些可能的设置工作，如大小、位置、名称等*/ setWindow(win); /* 将窗口指针值绑定在键myWinKey上*/ pthread_setpecific ( myWinKey, win); } /* 函数 createMyKey，创建一个键，并指定了destructor */ void createMyKey ( void ) { pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey); } /* 函数 freeWinKey，释放空间*/ void freeWinKey ( Fl_Window * win){ delete win; } |
| extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer)); extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key)); |
| void reader_function ( void ); void writer_function ( void ); char buffer; int buffer_has_item=0; pthread_mutex_t mutex; struct timespec delay; void main ( void ){ pthread_t reader; /* 定义延迟时间*/ delay.tv_sec = 2; delay.tv_nec = 0; /* 用默认属性初始化一个互斥锁对象*/ pthread_mutex_init (&mutex,NULL); pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL); writer_function( ); } void writer_function (void){ while(1){ /* 锁定互斥锁*/ pthread_mutex_lock (&mutex); if (buffer_has_item==0){ buffer=make_new_item( ); buffer_has_item=1; } /* 打开互斥锁*/ pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_delay_np(&delay); } } void reader_function(void){ while(1){ pthread_mutex_lock(&mutex); if(buffer_has_item==1){ consume_item(buffer); buffer_has_item=0; } pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_delay_np(&delay); } } |
| pthread_mutex_t count_lock; pthread_cond_t count_nonzero; unsigned count; decrement_count () { pthread_mutex_lock (&count_lock); while(count==0) pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock); count=count -1; pthread_mutex_unlock (&count_lock); } increment_count(){ pthread_mutex_lock(&count_lock); if(count==0) pthread_cond_signal(&count_nonzero); count=count+1; pthread_mutex_unlock(&count_lock); } |
| /* File sem.c */ #include #include #include #define MAXSTACK 100 int stack[MAXSTACK][2]; int size=0; sem_t sem; /* 从文件1.dat读取数据，每读一次，信号量加一*/ void ReadData1(void){ FILE *fp=fopen("1.dat","r"); while(!feof(fp)){ fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]); sem_post(&sem); ++size; } fclose(fp); } /*从文件2.dat读取数据*/ void ReadData2(void){ FILE *fp=fopen("2.dat","r"); while(!feof(fp)){ fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]); sem_post(&sem); ++size; } fclose(fp); } /*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/ void HandleData1(void){ while(1){ sem_wait(&sem); printf("Plus:%d+%d=%dn",stack[size][0],stack[size][1], stack[size][0]+stack[size][1]); --size; } } void HandleData2(void){ while(1){ sem_wait(&sem); printf("Multiply:%d*%d=%dn",stack[size][0],stack[size][1], stack[size][0]*stack[size][1]); --size; } } int main(void){ pthread_t t1,t2,t3,t4; sem_init(&sem,0,0); pthread_create(&t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL); pthread_create(&t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL); pthread_create(&t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL); pthread_create(&t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL); /* 防止程序过早退出，让它在此无限期等待*/ pthread_join(t1,NULL); } |
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