多核技術(shù)5linux多線程編程

1、1多核程序設(shè)計(jì)2第五章 Linux多線程編程1 POSIX線程庫(kù)介紹2 Pthreads庫(kù)的基本操作3 線程的屬性4 線程互斥與同步5 使用GDB調(diào)試線程35.1 線程庫(kù)簡(jiǎn)介POSIX 線程庫(kù)Pthreads介紹IEEE POSIX 標(biāo)準(zhǔn) p1003.1c (Pthreads) 定義了處理線程的一系列C語(yǔ)言類型的API。在Linux中，線程一般被認(rèn)為是“輕量級(jí)的進(jìn)程”。Linux 創(chuàng)建進(jìn)程所使用的函數(shù)是fork()或者vfork()。而對(duì)線程的創(chuàng)建和管理Linux可以使用POSIX的線程庫(kù)pthreads提供的APIs。4POSIX簡(jiǎn)介：Portable Operating System In

2、terface可移植操作系統(tǒng)接口縮寫(xiě)為 POSIX 是為了讀音更像 UNIX。POSIX 標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）開(kāi)發(fā) ，是由ANSI（American National Standards Institute，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì) ）和ISO（International Organization for Standardization，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ）標(biāo)準(zhǔn)化。5POSIX的誕生和Unix的發(fā)展是密不可分的由于各廠家對(duì)Unix的開(kāi)發(fā)各自為政，造成了Unix的版本相當(dāng)混亂，給軟件的可

3、移植性帶來(lái)很大困難，對(duì)Unix的發(fā)展極為不利。為結(jié)束這種局面，IEEE開(kāi)發(fā)了POSIX，它在源代碼級(jí)別上定義了一組最小的Unix(類Unix)操作系統(tǒng)接口。POSIX并不局限于UNIX。許多其它的操作系統(tǒng)，例如DEC OpenVMS 和 Microsoft Windows NT，Linux等都支持（部分） POSIX標(biāo)準(zhǔn)6Pthread線程庫(kù)簡(jiǎn)介：POSIX 1003.1c定義了處理線程的一系列C語(yǔ)言類型的API函數(shù)，提供了一個(gè)可移植的多線程庫(kù)，稱為Pthreads。Pthreads現(xiàn)在已成為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)中多線程接口的標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛使用在大多數(shù)的unix平臺(tái)上。針對(duì)Windows操作系統(tǒng)

4、，Pthreads也存在一個(gè)開(kāi)放源代碼的版本，稱為pthreads-win32。如果打算使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)多線程程序，并且需要一個(gè)能比OpenMP提供更多直接控制的可移植的API，那么Pthreads是一個(gè)很好的選擇。7POSIX API沒(méi)有限定線程應(yīng)該如何工作，因此對(duì)于如何去編制線程程序就留有了很大的余地。Pthread本來(lái)是一套用戶級(jí)線程庫(kù)，但在Linux上實(shí)現(xiàn)時(shí)，卻使用了內(nèi)核級(jí)線程來(lái)完成，這樣的好處是，可以充分的提高程序的并發(fā)性。Pthreads庫(kù)的函數(shù)原形定義在中，編寫(xiě)多線程程序時(shí)需要include該頭文件。編譯時(shí)需要鏈接libpthread庫(kù)（-lpthread）8Pthread線程庫(kù)提

5、供的函數(shù)一般都以pthread開(kāi)頭，例如：前綴功能集合pthread_線程或子線程pthread_attr_線程對(duì)象屬性pthread_mutex_互斥量pthread_mutexattr_互斥量對(duì)象屬性pthread_cond_條件變量pthread_condattr_條件變量屬性9使用fork()創(chuàng)建進(jìn)程和使用POSIX線程庫(kù)差別:使用fork()創(chuàng)建進(jìn)程的特點(diǎn)：代價(jià)昂貴，通常子進(jìn)程需要拷貝父進(jìn)程的整個(gè)上下文，比如數(shù)據(jù)等。進(jìn)程間的通信方式比較復(fù)雜，比如使用管道、消息、共享內(nèi)存等方法。操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的切換比線程切換更費(fèi)時(shí)。使用POSIX pthreads庫(kù)創(chuàng)建線程的特點(diǎn)：線程可使用存在

6、于進(jìn)程中的資源，因此創(chuàng)建線程比創(chuàng)建進(jìn)程更快。線程間的通信方式更容易，比如通過(guò)進(jìn)程中的變量，可以讓多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)對(duì)線程切換比對(duì)進(jìn)程切換更容易和快速。105.2 基本線程操作獲得當(dāng)前線程標(biāo)志每個(gè)線程都有一個(gè)標(biāo)識(shí)，是pthread_t類型的。使用pthread_self ( )函數(shù)可以獲得當(dāng)前線程的標(biāo)志，函數(shù)返回值就是當(dāng)前線程的標(biāo)志。 pthread_t pthread_self (void);由于pthread_t可能是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此POSIX提供了一個(gè)函數(shù)pthread_equal()來(lái)比較兩個(gè)線程標(biāo)識(shí)是否相等。 11線程的創(chuàng)建pthreads 線程庫(kù)中提供的創(chuàng)建線程的函數(shù)是pt

7、hread_create()：#include int pthread_create( pthread_t * thread, pthread_attr_t * attr, void *(*start_routine)(void *), void * arg);12線程的退出 在線程的處理函數(shù)中，可以顯示的調(diào)用pthread_exit()結(jié)束線程執(zhí)行，也可以不調(diào)用pthread_exit()，而只是讓線程處理程序返回。 void pthread_exit(void * retval) （清理函數(shù)）除了pthread_exit() 函數(shù)，可以讓當(dāng)前調(diào)用pthread_exit() 的線程顯示地退

8、出外，線程也可以使用 pthread_cancel() 函數(shù)終止其他線程的執(zhí)行。13等待線程結(jié)束pthread_join( ) 函數(shù)會(huì)掛起創(chuàng)建線程的線程的執(zhí)行，直到等待到想要等待的子線程，并釋放子線程的資源，若成功返回0，否則返回錯(cuò)誤編號(hào)，thread_return或者是子線程pthread_exit返回的參數(shù)，或者是PTHREAD_CANCELED。 int pthread_join(pthread_t th, void *thread_return);等待的線程必須在可加入的狀態(tài)，即沒(méi)有對(duì)線程調(diào)用pthread_detach()函數(shù)，或者創(chuàng)建線程時(shí)把其屬性設(shè)置為PTHREAD_CREATE

9、_DETACHED。一個(gè)子線程不能被兩個(gè)線程等待。14線程的分離主線程創(chuàng)建子線程，且子線程本身自己有自我回收內(nèi)存資源的能力。 int pthread_detach(pthread_t th);讓線程可以處于分離（detached）狀態(tài)，當(dāng)線程處于這種狀態(tài)的時(shí)候，線程不需要其它線程等待其結(jié)束，處于分離狀態(tài)的線程有能力在自己結(jié)束執(zhí)行的時(shí)候回收相關(guān)的內(nèi)存資源。如果線程處于分離狀態(tài)（兩種方式），使用pthread_join()函數(shù)的時(shí)候會(huì)返回錯(cuò)誤。15使用Pthreads的程序?qū)嵗?include #include #include #include #define THREAD_NUMBER 2in

10、t retval_hello1= 2, retval_hello2 = 3;void* hello1(void *arg) char *hello_str = (char *)arg; sleep(1); printf(%sn, hello_str); pthread_exit(&retval_hello1);void* hello2(void *arg) char *hello_str = (char *)arg; sleep(2); printf(%sn, hello_str); pthread_exit(&retval_hello2);16int main(int argc, char

11、*argv) int i; int ret_val; int *retval_hello2; pthread_t ptTHREAD_NUMBER; const char *argTHREAD_NUMBER; arg0 = hello world from thread1; arg1 = hello world from thread2; printf(Begin to create threads.n); ret_val = pthread_create(&pt0, NULL, hello1, (void *)arg0); if (ret_val != 0 ) printf(pthread_c

12、reate error!n); exit(1);17 ret_val = pthread_create(&pt1, NULL, hello2, (void *)arg1); if (ret_val != 0 ) printf(pthread_create error!n); exit(1); printf(Begin to wait for threads.n); for(i = 0; i THREAD_NUMBER; i+) ret_val = pthread_join(pti, (void *)&retval_helloi); if (ret_val != 0) printf(pthrea

13、d_join error!n); exit(1); else printf(return value is %dn, *retval_helloi); printf(Now, the main thread returns.n); return 0; 183 線程的屬性屬性名含義detachstate選擇被創(chuàng)建的線程是處于可加入的狀態(tài)還是分離狀態(tài)。 可加入狀態(tài)值是PTHREAD_CREATE_JOINABLE； 分離狀態(tài)值是PTHREAD_CREATE_DETACHED； 缺省狀態(tài)值是PTHREAD_CREATE_JOINABLE。 pthread_attr_setdetachstate()

14、可設(shè)置線程為加入或者分離狀態(tài)； pthread_attr_getdetachstate() 可以獲得當(dāng)前線程是否是加入的或者是分離的狀態(tài)。 schedpolicy為被創(chuàng)建的線程選擇調(diào)度策略。被創(chuàng)建的線程的狀態(tài)可以是SCHED_OTHER(一般的，非實(shí)時(shí)調(diào)度)、SCHED_RR (實(shí)時(shí)，輪轉(zhuǎn)調(diào)度) 或者SCHED_FIFO(實(shí)時(shí)，先進(jìn)先出調(diào)度)。缺省值是SCHED_OTHER。實(shí)時(shí)調(diào)度SCHED_RR 和 SCHED_FIFO 只能用于有超級(jí)用戶權(quán)限的進(jìn)程使用。 pthread_attr_setschedpolicy() 和 pthread_attr_getschedpolicy() 函數(shù)可以設(shè)

15、置和獲得線程的調(diào)度屬性。19屬性名含義 schedparam為被創(chuàng)建的線程選擇調(diào)度參數(shù)。這里的調(diào)度參數(shù)指的是線程的調(diào)度優(yōu)先級(jí)。缺省優(yōu)先級(jí)是 0 。這個(gè)屬性對(duì)于 SCHED_OTHER 是不重要的；它只對(duì)SCHED_RR 和 SCHED_FIFO 兩個(gè)和實(shí)時(shí)調(diào)度相關(guān)的調(diào)度方式有效。 pthread_attr_setschedparam() 和 pthread_attr_getschedparam() 兩個(gè)函數(shù)可以分別對(duì)線程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置和獲取。 inheritsched選擇對(duì)新創(chuàng)建的線程的調(diào)度策略和調(diào)度參數(shù)是否被schedpolicy 和schedparam 屬性決定（這時(shí)的值是PTHREAD

16、_EXPLICIT_SCHED)或者是通過(guò)父線程繼承而得到的(這時(shí)的值是PTHREAD_INHERIT_SCHED)。缺省的值是PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。 scope為選擇被創(chuàng)建的線程調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)范圍。缺省值是PTHREAD_SCOPE_SYSTEM，表示線程和系統(tǒng)的所有的其他運(yùn)行在CPU上的進(jìn)程爭(zhēng)奪CPU 資源。如果是PTHREAD_SCOPE_PROCESS，表示調(diào)度的競(jìng)爭(zhēng)只發(fā)生在運(yùn)行于同一進(jìn)程空間的線程之間，線程的優(yōu)先級(jí)只在同一進(jìn)程空間的線程之間有效，和其他進(jìn)程無(wú)關(guān)。20設(shè)置線程屬性的程序?qū)嵗?include #include #include void* sum_val

17、(void *arg) int sum = 0; int i; int count = *(int *)arg; for (i = 0; i count; i+) sum = sum + i; printf(sum is %dn, sum); pthread_exit(0);21int main(int argc, char *argv) pthread_t pt; int count = 10; int ret_val; pthread_attr_t attr; struct sched_param sp; sp._sched_priority = 2; /線程屬性初始化 ret_val =

18、 pthread_attr_init(&attr); if (ret_val != 0) printf(pthread_attr_init error!n); exit(1); /線程狀態(tài)設(shè)置為PTHREAD_CREATE_DETACHED ret_val =pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED); if (ret_val != 0) printf(pthread_attr_setdetachstate error!n); exit(1); 22 /線程調(diào)度方式被設(shè)置為輪轉(zhuǎn)法 ret_val = pthread_at

19、tr_setschedpolicy(&attr, SCHED_RR); if (ret_val != 0) printf(pthread_attr_setschedpolicy error!n); exit(1); /線程調(diào)度優(yōu)先級(jí)設(shè)置為2，默認(rèn)值是0 ret_val = pthread_attr_setschedparam(&attr, &sp); if (ret_val != 0) printf(pthread_attr_setschedparam error!n); exit(1); /設(shè)置新創(chuàng)建線程的調(diào)度策略和調(diào)度參數(shù)是否被上述兩個(gè)屬性所決定 ret_val = pthread_att

20、r_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED); if (ret_val != 0) printf(pthread_attr_setinheritsched error!n); exit(1); 23 /設(shè)置線程的調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)范圍 ret_val = pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM); if (ret_val != 0) printf(pthread_attr_setscope error!n); exit(1); /創(chuàng)建線程 ret_val = pthread_create(&p

21、t, NULL, sum_val, (void *)&count); if (ret_val != 0 ) printf(pthread_create error!n); exit(1); /釋放屬性對(duì)象 pthread_attr_destroy(&attr); sleep(5); return 0;244 線程互斥和同步線程間的互斥操作可以使用Mutex來(lái)實(shí)現(xiàn)，用來(lái)保護(hù)并發(fā)讀寫(xiě)操作中共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。POSIX 線程庫(kù)對(duì)mutex提供了以下函數(shù)進(jìn)行操作： int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr

22、_t *mutexattr); int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);25線程互斥和同步MutexMutex具有如下特性：原子性。對(duì)mutex的加鎖和解鎖操作是原子的，一個(gè)線程進(jìn)行 mutex 操作的過(guò)程中，其他線程不能對(duì)同一個(gè) mutex

23、 進(jìn)行其他操作。單一性。擁有mutex的線程除非釋放mutex，否則其他線程不能擁有此mutex。非忙等待。等待mutex的線程處于等待狀態(tài)，直到要等待的mutex處于未加鎖狀態(tài)，這時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)喚醒等待此mutex的線程。26線程互斥和同步MutexMutex的三種類型：快速（fast）mutex，這種類型也是默認(rèn)的類型。遞歸（recursive）mutex。同一線程多次給互斥量上鎖，那么系統(tǒng)將會(huì)知道該上鎖行為來(lái)自同一線程，那么就會(huì)同意線程給該互斥量上鎖。錯(cuò)誤檢查（error checking） mutex 。如果該互斥量已經(jīng)被上鎖，那么后續(xù)的上鎖將會(huì)失敗而不會(huì)阻塞，操作將會(huì)返回EDEADL

24、K。27Mutex相關(guān)函數(shù)創(chuàng)建與初始化：有兩種方法創(chuàng)建互斥鎖，靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式。動(dòng)態(tài)創(chuàng)建與初始化： pthread_mutex_t mutex pthread_mutexattr_t attr pthread_mutex_init (&mutex, &attr) PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP是缺省值，就是普通的快速鎖。 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP是遞歸鎖。 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP是錯(cuò)誤檢查鎖。28Mutex相關(guān)函數(shù)靜態(tài)創(chuàng)建與初始化： pthread_mutex_t fastmutex = PTHREAD_MUTEX_I

25、NITIALIZER; pthread_mutex_t recmutex = PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP; pthread_mutex_t errchmutex = PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP;29Mutex相關(guān)函數(shù)銷毀： pthread_mutex_destroy (&mutex) 30Mutex相關(guān)函數(shù)加解鎖操作： pthread_mutex_lock (&mutex); pthread_mutex_trylock (&mutex); pthread_mutex_unlock (&mute

26、x); 函數(shù)pthread_mutex_trylock ( )的語(yǔ)義與函數(shù)pthread_mutex_lock ( )類似，不同的是在鎖已經(jīng)被占據(jù)時(shí)返回EBUSY而不是掛起等待。31Thread AThread Bpthread_mutex_lock (&mutex1);pthread_mutex_lock (&mutex2);pthread_mutex_lock (&mutex2);pthread_mutex_lock (&mutex1);pthread_mutex_lock (&mutex1);f (x);pthread_mutex_lock (&mutex1);32線程互斥和同步Mute

27、x程序?qū)嵗?Mutex的使用。 count.c線程使用mutex的簡(jiǎn)單代碼如下：pthread_mutex_t mylock;mylock= PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_mutex_lock(&mylock);/*.*/pthread_mutex_unlock(&mylock);36線程互斥和同步條件變量 條件變量是線程的同步設(shè)備。在線程間使用條件變量可以使得一個(gè)線程在執(zhí)行過(guò)程中，因滿足某個(gè)條件而發(fā)出信號(hào)通知另一個(gè)線程；而另一個(gè)線程可以處于掛起狀態(tài)，等待某個(gè)條件的滿足后，才繼續(xù)執(zhí)行。37線程互斥和同步條件變量條件變量必須和mutex一起使用來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)情況

28、，相關(guān)的操作函數(shù)如下：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);i

29、nt pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *cond);38線程互斥和同步條件變量程序?qū)嵗龡l件變量的使用。 threadcon.c threadcontime.c45線程的撤銷一個(gè)線程可以通過(guò)向另個(gè)線程發(fā)送“請(qǐng)求”來(lái)結(jié)束另一個(gè)線程的執(zhí)行。 pthread_cancel (pthread_t)接受撤銷線程可以根據(jù)線程的設(shè)置忽略，推遲或者立即結(jié)束自己。

30、撤銷點(diǎn)：線程檢測(cè)未處理的撤銷請(qǐng)求，并執(zhí)行撤銷請(qǐng)求的程序執(zhí)行點(diǎn)。46線程的撤銷POSIX pthreads庫(kù)中關(guān)于撤銷操作的函數(shù)有： int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate); state值可以為PTHREAD_CANCEL_ENABLE 或 PTHREAD_CANCEL_DISABLE。int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype); type值可以為PTHREAD_CANCEL_DEFERRED 或 PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUSvoid pthread

31、_testcancel(void);47線程的撤銷程序?qū)嵗€程撤銷。 cancel.c threadcancel.c清理實(shí)例程序在撤銷線程的時(shí)候，可以編寫(xiě)程序讓線程進(jìn)一步進(jìn)行所謂的清理工作，例如,如果已經(jīng)擁有了某個(gè)mutex，在清理例程中可以釋放這個(gè)mutex。void my_cleanup(void *arg) pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *)arg); printf(call mycleanup!n);56POSIX 信號(hào)量POSIX 信號(hào)量在多線程編程中可以起到同步或互斥的作用。用POSIX 信號(hào)量可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)操作系統(tǒng)P、V操作。由于POSI

32、X信號(hào)量不是內(nèi)核負(fù)責(zé)維護(hù)，所以當(dāng)進(jìn)程退出后，POSIX信號(hào)量自動(dòng)消亡。#include int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); int sem_wait(sem_t * sem); int sem_trywait(sem_t * sem); int sem_post(sem_t * sem); int sem_getvalue(sem_t * sem, int * sval); int sem_destroy(sem_t * sem);57POSIX 信號(hào)量sem_init創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量,并初始化其值為value,

33、pshared決定了信號(hào)量能否在幾個(gè)進(jìn)程間共享.由于目前Linux還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間共享信號(hào)量,所以這個(gè)值只能夠取0。sem_wait調(diào)用將阻塞進(jìn)程,直到信號(hào)量的值大于0。這個(gè)函數(shù)返回的時(shí)候自動(dòng)的將信號(hào)量的值的減一。sem_post和sem_wait相反,是將信號(hào)量的內(nèi)容加一同時(shí)發(fā)出信號(hào)喚醒等待的進(jìn)程。sem_trywait和sem_wait相同,不過(guò)不阻塞的,當(dāng)信號(hào)量的值為0的時(shí)候返回EAGAIN,表示以后重試。58信號(hào)量運(yùn)行原理一個(gè)任務(wù)要想訪問(wèn)共享資源，首先必須得到信號(hào)量，獲取信號(hào)量的操作將把信號(hào)量的值減1，若當(dāng)前信號(hào)量的值為負(fù)數(shù)，表明無(wú)法獲得信號(hào)量，該任務(wù)必 須掛起在該信號(hào)量的等待隊(duì)列等待該信號(hào)量可用；若當(dāng)前信號(hào)量的值為非負(fù)數(shù)，表示可以獲得信號(hào)量，因而可以立刻訪問(wèn)被該信號(hào)量保護(hù)的共享資源。當(dāng)任務(wù)訪問(wèn)完被信號(hào)量保護(hù)的共享資源后，必須釋放信號(hào)量，釋放信號(hào)量通過(guò)把信號(hào)量的值加1實(shí)現(xiàn)，如果信號(hào)量的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待當(dāng)前信號(hào)量，因此它也喚醒所有等待該信號(hào)量的任務(wù)。59信號(hào)量程序?qū)嵗褂肞OSIX信號(hào)量解決簡(jiǎn)單生產(chǎn)者和消費(fèi)者。 prodcons.c