linux多線程機制-線程同步

1．引言

　　目前,許多流行的多任務(wù)操作系統(tǒng)都提供線程機制,線程就是程序中的 單個順序控制流。利用多線程進行程序設(shè)計,就是將一個程序(進程)的任務(wù)劃分為執(zhí)行的多個部分(線程) ,每一個線程為一個順序的單控制流,而所有線程都是并發(fā)執(zhí)行的,這樣,多線程程序就可以實現(xiàn)并行計算,高效利用多處理器。線程可分為用戶級線程和內(nèi)核級線 程兩種基本類型。用戶級線程不需要內(nèi)核支持,可以在用戶程序中實現(xiàn),線程調(diào)度、同步與互斥都需要用戶程序自己完成。內(nèi)核級線程需要內(nèi)核參與,由內(nèi)核完成線 程調(diào)度并提供相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用,用戶程序可以通過這些接口函數(shù)對線程進行一定的控制和管理。Linux操作系統(tǒng)提供了LinuxThreads庫，它是符合POSIX1003.1c標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核級多線程函數(shù)庫。在linuxthreads庫中提供了一些多線程編程的關(guān)鍵函數(shù)，在多線程編程時應(yīng)包括pthread.h文件。

　　2.LinuxThread中的關(guān)鍵庫函數(shù)

　　2.1線程的創(chuàng)建和終止

　　int pthread_create(pthread_t * pthread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine(*void)),void *arg);調(diào)用此函數(shù)可以創(chuàng)建一個新的線程，新線程創(chuàng)建后執(zhí)行start_routine 指定的程序。其中參數(shù)attr是用戶希望創(chuàng)建線程的屬性，當(dāng)為NULL時表示以默認(rèn)的屬性創(chuàng)建線程。arg是向start_routine 傳遞的參數(shù)。當(dāng)成功創(chuàng)建一個新的線程時，系統(tǒng)會自動為新線程分配一個線程ID號，并通過pthread 返回給調(diào)用者。

　　void pthread_exit(void *value_ptr);調(diào)用該函數(shù)可以退出線程，參數(shù)value_ptr是一個指向返回狀態(tài)值的指針。

　　2.2線程控制函數(shù)

　　pthread_self(void);為了區(qū)分線程，在線程創(chuàng)建時系統(tǒng)為其分配一個唯一的ID號，由pthread_create()返回給調(diào)用者，也可以通過pthread_self()獲取自己的線程ID。

　　Int pthread_join (pthread- t thread , void * *status);這個函數(shù)的作用是等待一個線程的結(jié)束。調(diào)用pthread_join()的線程將被掛起直到線程ID為參數(shù)thread 指定的線程終止。

　　int pthread_detach(pthread_t pthread);參數(shù)pthread代表的線程一旦終止，立即釋放調(diào)該線程占有的所有資源。

　　2.3線程間的互斥

　　互斥量和臨界區(qū)類似，只有擁有互斥量的線程才具有訪問資源的權(quán)限， 由于互斥對象只有一個，這就決定了任何情況下共享資源（代碼或變量）都不會被多個線程同時訪問。使用互斥不僅能夠在同一應(yīng)用程序的不同線程中實現(xiàn)資源的安 全共享，而且可以在不同應(yīng)用程序的線程之間實現(xiàn)對資源的安全共享。Linux中通過pthread_mutex_t來定義互斥體機制完成互斥操作。具體的操作函數(shù)如下

　　pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);初使化一個互斥體變量mutex，參數(shù)attr表示按照attr屬性創(chuàng)建互斥體變量mutex，如果參數(shù)attr為NULL，則以默認(rèn)的方式創(chuàng)建。

　　pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);給一個互斥體變量上鎖，如果mutex指定的互斥體已經(jīng)被鎖住，則調(diào)用線程將被阻塞直到擁有mutex的線程對mutex解鎖為止。

　　Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);對參數(shù)mutex指定的互斥體變量解鎖。

　　2.4線程間的同步

　　同步就是線程等待某一個事件的發(fā)生，當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生時，被等待的線程和事件一起繼續(xù)執(zhí)行。如果等待的事件未到達則掛起。在linux操作系統(tǒng)中是通過條件變量來實現(xiàn)同步的。

　　Pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,const pthread_cond_t *attr);這個函數(shù)按參數(shù)attr指定的屬性初使化一個條件變量cond。

　　Pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);等待一個事件（條件變量）的發(fā)生，發(fā)出調(diào)用的線程自動阻塞，直到相應(yīng)的條件變量被置1。等待狀態(tài)的線程不占用CPU時間。

　　pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);解除一個等待參數(shù)cond指定的條件變量的線程的阻塞狀態(tài)。

3．多線程編程的應(yīng)用實例

　　在這里利用多線程技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者問題，生產(chǎn)者線程向一緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)， 消費者線程從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，由于生產(chǎn)者線程和消費者線程共享同一緩沖區(qū)，為了正確讀寫數(shù)據(jù)，在使用緩沖隊列時必須保持互斥。生產(chǎn)者線程和消費者線程必 須滿足：生產(chǎn)者寫入緩沖區(qū)的數(shù)目不能超過緩沖區(qū)容量，消費者讀取的數(shù)目不能超過生產(chǎn)者寫入的數(shù)目。在程序中使用了一個小技巧來判斷緩沖區(qū)是空還是滿。在初 始化時讀指針和寫指針為0;如果讀指針等于寫指針,則緩沖區(qū)是空的;如果(寫指針+ 1) % N 等于讀指針,則緩沖區(qū)是滿的,%表示取余數(shù),這時實際上有一個單元空出未用。下面是完整的程序段和注釋。

　　#include

　　#include

　　#define BUFFER_SIZE 8

　　struct prodcons {

　　int buffer[BUFFER_SIZE];

　　pthread_mutex_t lock;????? //互斥LOCK

　　int readpos , writepos;

　　pthread_cond_t notempty;?? //緩沖區(qū)非空條件判斷

　　pthread_cond_t notfull;??? //緩沖區(qū)未滿條件判斷

　　};

　　void init(struct prodcons * b){

　　pthread_mutex_init(&b->lock,NULL);

　　pthread_cond_init(&b->notempty,NULL);

　　pthread_cond_init(&b->notfull,NULL);

　　b->readpos=0;

　　b->writepos=0;

　　}

　　void put(struct prodcons* b,int data){

　　pthread-_mutex_lock(&b->lock);

　　if((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos)

　　{

　　pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock) ;

　　}

　　b->buffer[b->writepos]=data;

　　b->writepos++;

　　if(b->writepos >= BUFFER_SIZE)

　　b->writepos=0;

　　pthread_cond_signal(&b->notempty);

　　pthread_mutex_unlock(&b->lock);

　　}

　　int get(struct prodcons *b){

　　int data;

pthread_mutex_lock(&b->lock);

　　if(b->writepos == b->readpos)

　　{

　　pthread_cond _wait(&b->notempty, &b->lock);

　　}

　　data = b->buffer[b->readpos];

　　b->readpos++;

　　if(b->readpos >= BUFFER_SIZE)

　　b->readpos=0;

　　pthread_cond_signal(&b->notfull);

　　pthread_mutex_unlock(&b->lock);

　　return data;

　　}

#define OVER (-1)

　　struct prodcons buffer;

　　void *producer(void *data)

　　{

　　int n;

　　for(n = 0; n < 10000; n++)

　　{

　　printf("%d \n", n) ;

　　put(&buffer, n);

　　}

　　put(&buffer, OVER);

　　return NULL;

　　}

　　void *consumer(void * data)

　　{

　　int d;

　　while(1)

　　{

　　d = get(&buffer);

　　if(d == OVER)

　　break;

　　printf("%d\n", d);

　　}

　　return NULL;

　　}

　　int main(void)

　　{

pthread_t th_a, th_b;

　　void *retval;

　　init(&buffer);

　　pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);

　　& nbsp;?? pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);

　　pthread_join(th_a, &retval);

　　pthread_join(th_b, &retval);

　　return 0;

　　}

　　上 面的例子中，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)將1到1000的整數(shù)寫入緩沖區(qū)，而消費者負(fù)責(zé)從同一個緩沖區(qū)中讀取寫入的整數(shù)并打印出來。因為生產(chǎn)者和消費者是兩個同時運行的線 程，并且要使用同一個緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換，因此必須利用一種機制進行同步。通過上面的例子我們可以看到，多線程的最大好處是，除堆棧之外，幾乎所有的數(shù)據(jù) 均是共享的，因此線程間的通訊效率很高；缺點：因為共享所有數(shù)據(jù)，從而非常容易導(dǎo)致線程之間互相破壞數(shù)據(jù)，這一點在編程時必須注意。

　　4.結(jié)束語

　　Linux中基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的很好的支持了多線程技術(shù)，它減少了程序并發(fā)執(zhí)行時的系統(tǒng)開銷,提高了計算機的工作效率。在具體編程過程中要了解線程的間的關(guān)系,還要考慮共享數(shù)據(jù)的保護,在互斥和同步機制下保證代碼的高效運行，程序編譯時用gcc -D –REENTRANT -libpthread.xx.so filename.c編譯。