Posix線程編程指南(1)

這是一個關於Posix線程編程的專欄。做者在闡明概念的基礎上,將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第一篇將向您講述 線程的建立與取消
1.1 線程與進程
相對進程而言,線程是一個更加接近於執行體的概念,它能夠與同進程中的其餘線程共享數據,但擁有本身的棧空間,擁有獨立的執行序列。在串行程序基礎上引入線程和進程是爲了提升程序的併發度,從而提升程序運行效率和響應時間。
線程和進程在使用上各有優缺點:線程執行開銷小,但不利於資源的管理和保護;而進程正相反。同時,線程適合於在SMP機器上運行,而進程則能夠跨機器遷移。
1.2 建立線程
POSIX經過 pthread_create()函數建立線程,API定義以下:
int  pthread_create(pthread_t  *  thread, pthread_attr_t * attr, 
void * (*start_routine)(void *), void * arg)
與fork()調用建立一個進程的方法不一樣,pthread_create()建立的線程並不具有與主線程(即調用pthread_create()的線程)一樣的執行序列,而是使其運行start_routine(arg)函數。thread返回建立的線程ID,而attr是建立線程時設置的線程屬性(見下)。pthread_create()的返回值表示線程建立是否成功。儘管arg是void *類型的變量,但它一樣能夠做爲任意類型的參數傳給start_routine()函數;同時,start_routine()能夠返回一個void *類型的返回值,而這個返回值也能夠是其餘類型,並由pthread_join()獲取。

1.3 線程建立屬性
pthread_create()中的attr參數是一個結構指針,結構中的元素分別對應着新線程的運行屬性,主要包括如下幾項:
__detachstate,表示新線程是否與進程中其餘線程脫離同步,若是置位則新線程不能用pthread_join()來同步,且在退出時自行釋放所佔用的資源。缺省爲PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。這個屬性也能夠在線程建立並運行之後用pthread_detach()來設置,而一旦設置爲PTHREAD_CREATE_DETACH狀態(不管是建立時設置仍是運行時設置)則不能再恢復到PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。
__schedpolicy,表示新線程的調度策略,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,缺省爲SCHED_OTHER,後兩種調度策略僅對超級用戶有效。運行時能夠用過pthread_setschedparam()來改變。
__schedparam,一個struct sched_param結構,目前僅有一個sched_priority整型變量表示線程的運行優先級。這個參數僅當調度策略爲實時(即SCHED_RR或SCHED_FIFO)時纔有效,並能夠在運行時經過pthread_setschedparam()函數來改變,缺省爲0。
__inheritsched,有兩種值可供選擇:PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED,前者表示新線程使用顯式指定調度策略和調度參數(即attr中的值),然後者表示繼承調用者線程的值。缺省爲PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。
__scope,表示線程間競爭CPU的範圍,也就是說線程優先級的有效範圍。POSIX的標準中定義了兩個值:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS,前者表示與系統中全部線程一塊兒競爭CPU時間,後者表示僅與同進程中的線程競爭CPU。目前LinuxThreads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()來設置。
爲了設置這些屬性,POSIX定義了一系列屬性設置函數,包括 pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個屬性相關的 pthread_attr_get---/ pthread_attr_set---函數。
1.4 線程建立的Linux實現
咱們知道,Linux的線程實現是在覈外進行的,核內提供的是建立進程的接口 do_fork()。內核提供了兩個系統調用__clone()和fork(),最終都用不一樣的參數調用do_fork()核內API。固然,要想實現線程,沒有核心對多進程(實際上是輕量級進程)共享數據段的支持是不行的,所以,do_fork()提供了不少參數,包括CLONE_VM(共享內存空間)、CLONE_FS(共享文件系統信息)、CLONE_FILES(共享文件描述符表)、CLONE_SIGHAND(共享信號句柄表)和CLONE_PID(共享進程ID,僅對核內進程,即0號進程有效)。當使用fork系統調用時,內核調用do_fork()不使用任何共享屬性,進程擁有獨立的運行環境,而使用pthread_create()來建立線程時,則最終設置了全部這些屬性來調用__clone(),而這些參數又所有傳給核內的do_fork(),從而建立的"進程"擁有共享的運行環境,只有棧是獨立的,由__clone()傳入。
Linux線程在覈內是以輕量級進程的形式存在的,擁有獨立的進程表項,而全部的建立、同步、刪除等操做都在覈外pthread庫中進行。pthread庫使用一個管理線程(__pthread_manager(),每一個進程獨立且惟一)來管理線程的建立和終止,爲線程分配線程ID,發送線程相關的信號(好比Cancel),而主線程(pthread_create())的調用者則經過管道將請求信息傳給管理線程。
2.1 線程取消的定義
通常狀況下,線程在其主體函數退出的時候會自動終止,但同時也能夠由於接收到另外一個線程發來的終止(取消)請求而強制終止。
2.2 線程取消的語義
線程取消的方法是向目標線程發Cancel信號,但如何處理Cancel信號則由目標線程本身決定,或者忽略、或者當即終止、或者繼續運行至Cancelation-point(取消點),由不一樣的Cancelation狀態決定。
線程接收到CANCEL信號的缺省處理(即pthread_create()建立線程的缺省狀態)是繼續運行至取消點,也就是說設置一個CANCELED狀態,線程繼續運行,只有運行至Cancelation-point的時候纔會退出。
2.3 取消點
根據POSIX標準, pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、 pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數以及 read()、write()等會引發阻塞的系統調用都是Cancelation-point,而其餘pthread函數都不會引發Cancelation動做。可是pthread_cancel的手冊頁聲稱,因爲LinuxThread庫與C庫結合得很差,於是目前C庫函數都不是Cancelation-point;但CANCEL信號會使線程從阻塞的系統調用中退出,並置EINTR錯誤碼,所以能夠在須要做爲Cancelation-point的系統調用先後調用pthread_testcancel(),從而達到POSIX標準所要求的目標,即以下代碼段:
pthread_testcancel();
    retcode = read(fd, buffer, length);
    pthread_testcancel();

2.4 程序設計方面的考慮
若是線程處於無限循環中,且循環體內沒有執行至取消點的必然路徑,則線程沒法由外部其餘線程的取消請求而終止。所以在這樣的循環體的必經路徑上應該加入 pthread_testcancel()調用。
2.5 與線程取消相關的pthread函數
int pthread_cancel(pthread_t thread)
發送終止信號給thread線程,若是成功則返回0,不然爲非0值。發送成功並不意味着thread會終止。
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
設置本線程對Cancel信號的反應,state有兩種值:PTHREAD_CANCEL_ENABLE(缺省)和PTHREAD_CANCEL_DISABLE,分別表示收到信號後設爲CANCLED狀態和忽略CANCEL信號繼續運行;old_state若是不爲NULL則存入原來的Cancel狀態以便恢復。
 
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
設置本線程取消動做的執行時機,type由兩種取值:PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS,僅當Cancel狀態爲Enable時有效,分別表示收到信號後繼續運行至下一個取消點再退出和當即執行取消動做(退出);oldtype若是不爲NULL則存入運來的取消動做類型值。
void pthread_testcancel(void) 檢查本線程是否處於Canceld狀態,若是是,則進行取消動做,不然直接返回。
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