POSIX線程程序設(shè)計(中文版)

BlaiseBarney,LawrenceLivermoreNationalLaboratory目錄表摘要Pthreads概述什么是線程?什么是Pthreads?為什么使用Pthreads?使用線程設(shè)計程序"PthreadsAPI編譯多線程程序線程管理創(chuàng)建和終止線程向線程傳遞參數(shù)連接(Joining)和分離(Detaching)線程棧管理其它函數(shù)互斥量(MutexVariables)互斥量概述創(chuàng)建和銷毀互斥量鎖定(Locking)和解鎖(Unlocking)互斥量條件變量(ConditionVariable)條件變量概述創(chuàng)建和銷毀條件變量等待(Waiting)和發(fā)送信號(Signaling)沒有覆蓋的主題Pthread庫API參考參考資料在多處理器共享內(nèi)存的架構(gòu)中(如：對稱多處理系統(tǒng)SMP)，線程可以用于實現(xiàn)程序的并行性。歷史上硬件銷售商實現(xiàn)了各種私有版本的多線程庫，使得軟件開發(fā)者不得不關(guān)心它的移植性。對于UNIX系統(tǒng)，IEEEPOSIX1003.1標準定義了一個C語言多線程編程接口。依附于該標準的實現(xiàn)被稱為POSIXtheads或Pthreads。該教程介紹了Pthreads的概念、動機和設(shè)計思想。內(nèi)容包含了PthreadsAPI主要的三大類函數(shù)：線程管理(ThreadManagment)、互斥量(MutexVariables)和條件變量（ConditionVariables）。向剛開始學(xué)習(xí)Pthreads的程序員提供了演示例程。適于：剛開始學(xué)習(xí)使用線程實現(xiàn)并行程序設(shè)計；對于C并行程序設(shè)計有基本了解。不熟悉并行程序設(shè)計的可以參考EC3500:IntroductionToParallelComputingoPthreads概述什么是線程?技術(shù)上，線程可以定義為：可以被操作系統(tǒng)調(diào)度的獨立的指令流。但是這是什么意思呢？對于軟件開發(fā)者，在主程序中運行的“函數(shù)過程”可以很好的描述線程的概念。?進一步，想象下主程序（a.out）包含了許多函數(shù)，操作系統(tǒng)可以調(diào)度這些函數(shù)，使之同時或者（和）獨立的執(zhí)行。這就描述了“多線程”程序。怎樣完成的呢？?在理解線程之前，應(yīng)先對UNIX進程（process）有所了解。進程被操作系統(tǒng)創(chuàng)建，需要相當多的“額外開銷”。進程包含了程序的資源和執(zhí)行狀態(tài)信息。如下：o進程ID，進程groupID，用戶ID和groupIDo環(huán)境o工作目錄o程序指令o寄存器o棧o堆o文件描述符o信號動作（Signalactions）o共享庫o進程間通信工具（如：消息隊列，管道，信號量或共享內(nèi)存）

UserAddressSpaceUserAddressSpaceThread2dataheaproutlnelvad()g蟲()Thread1Me/tfou11ne1柿varlwa.r2marnG匸口口tm*el()UserAddressSpaceUserAddressSpaceThread2dataheaproutlnelvad()g蟲()Thread1Me/tfou11ne1柿varlwa.r2marnG匸口口tm*el()rant (}ProcessIIUserIDGroupIDStackPairPrgrm.CaRegEstersroutinQ2()va.rl\rar2varSStackPollPr^riri.CoRegistersmain()EQUt-l口亡丄cQutine2dataFilesLocksSocketsUNIXPROCESSTHREADSWITHINAUNIX

PROCESSUNIXPROCESS?線程使用并存在于進程資源中，還可以被操作系統(tǒng)調(diào)用并獨立地運行，這主要是因為線程僅僅復(fù)制必要的資源以使自己得以存在并執(zhí)行。?獨立的控制流得以實現(xiàn)是因為線程維持著自己的：o堆棧指針o寄存器o調(diào)度屬性（如：策略或優(yōu)先級）o待定的和阻塞的信號集合（Setofpendingandblockedsignals）o線程專用數(shù)據(jù)（TSD：ThreadSpecificData.）?因此，在UNIX環(huán)境下線程：o存在于進程，使用進程資源o擁有自己獨立的控制流，只要父進程存在并且操作系統(tǒng)支持o只復(fù)制必可以使得獨立調(diào)度的必要資源o可以和其他線程獨立（或非獨立的）地共享進程資源o當父進程結(jié)束時結(jié)束，或者相關(guān)類似的o是“輕型的”，因為大部分額外開銷已經(jīng)在進程創(chuàng)建時完成了?因為在同一個進程中的線程共享資源：o一個線程對系統(tǒng)資源（如關(guān)閉一個文件）的改變對所有其它線程是可以見的o兩個同樣值的指針指向相同的數(shù)據(jù)o讀寫同一個內(nèi)存位置是可能的，因此需要成員顯式地使用同步Pthreads概述什么是Pthreads??歷史上，硬件銷售商實現(xiàn)了私有版本的多線程庫。這些實現(xiàn)在本質(zhì)上各自不同，使得程序員難于開發(fā)可移植的應(yīng)用程序。?為了使用線程所提供的強大優(yōu)點，需要一個標準的程序接口。對于UNIX系統(tǒng)，IEEEPOSIX1003.1c(1995)標準制訂了這一標準接口。依賴于該標準的實現(xiàn)就稱為POSIXthreads或者Pthreads?，F(xiàn)在多數(shù)硬件銷售商也提供Pthreads，附加于私有的API。?Pthreads被定義為一些C語言類型和函數(shù)調(diào)用，用pthread.h頭(包含)文件和線程庫實現(xiàn)。這個庫可以是其它庫的一部分，如libc。Pthreads概述為什么使用Pthreads?使用Pthreads的主要動機是提高潛在程序的性能。當與創(chuàng)建和管理進程的花費相比，線程可以使用操作系統(tǒng)較少的開銷，管理線程需要較少的系統(tǒng)資源。例如，下表比較了fork()函數(shù)和pthread_create()函數(shù)所用的時間。計時反應(yīng)了50,000個進程/線程的創(chuàng)建，使用時間工具實現(xiàn)，單位是秒，沒有優(yōu)化標志。備注：不要期待系統(tǒng)和用戶時間加起來就是真實時間，因為這些SMP系統(tǒng)有多個CPU同時工作。這些都是近似值。平臺fork()pthread_create()realusersysrealusersysAMD2.4GHzOpteron(8cpus/node)41.0760.089.010.660.190.43IBM1.9GHzPOWER5p5-575(8cpus/node)64.2430.7827.681.750.691.10IBM1.5GHzPOWER4104.0548.6447.212.011.001.52(8cpus/node)INTEL2.4GHzXeon(2cpus/node)54.951.5420.781.640.670.90INTEL1.4GHzItanium2(4cpus/node)54.541.0722.222.031.260.67forkvsthread.txt?在同一個進程中的所有線程共享同樣的地址空間。較于進程間的通信，在許多情況下線程間的通信效率比較高，且易于使用。?較于沒有使用線程的程序，使用線程的應(yīng)用程序有潛在的性能增益和實際的優(yōu)點：oCPU使用I/O交疊工作：例如，一個程序可能有一個需要較長時間的I/O操作，當一個線程等待I/O系統(tǒng)調(diào)用完成時，CPU可以被其它線程使用。o優(yōu)先/實時調(diào)度：比較重要的任務(wù)可以被調(diào)度，替換或者中斷較低優(yōu)先級的任務(wù)。o異步事件處理：頻率和持續(xù)時間不確定的任務(wù)可以交錯。例如，web服務(wù)器可以同時為前一個請求傳輸數(shù)據(jù)和管理新請求。?考慮在SMP架構(gòu)上使用Pthreads的主要動機是獲的最優(yōu)的性能。特別的，如果一個程序使用MPI在節(jié)點通信，使用Pthreads可以使得節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫斤@著提高。?例如：oMPI庫經(jīng)常用共享內(nèi)存實現(xiàn)節(jié)點任務(wù)通信，這至少需要一次內(nèi)存復(fù)制操作（進程到進程）。oPthreads沒有中間的內(nèi)存復(fù)制，因為線程和一個進程共享同樣的地址空間。沒有數(shù)據(jù)傳輸。變成cache-to-CPU或memory-to-CPU的帶寬（最壞情況），速度是相當?shù)目?。o比較如下：PlatformMPISharedMemoryBandwidth(GB/sec)PthreadsWorstCaseMemory-to-CPUBandwidth(GB/sec)AMD2.4GHzOpteron1.25.3IBM1.9GHzPOWER5p5-5754.116IBM1.5GHzP0WER42.14Intel1.4GHzXeon0.34.3Intel1.4GHzItanium21.86.4Pthreads概述使用線程設(shè)計程序丫并行編程：?在現(xiàn)代多CPU機器上，pthread非常適于并行編程?？梢杂糜诓⑿谐绦蛟O(shè)計的，也可以用于pthread程序設(shè)計。?并行程序要考慮許多，如下：o用什么并行程序設(shè)計模型？o問題劃分o加載平衡(Loadbalancing)o通信o數(shù)據(jù)依賴o同步和競爭條件o內(nèi)存問題oI/O問題o程序復(fù)雜度o程序員的努力/花費/時間o…?包含這些主題超出本教程的范圍，有興趣的讀者可以快速瀏覽下“IntroductiontoParallelComputing"教程。?大體上，為了使用Pthreads的優(yōu)點，必須將任務(wù)組織程離散的，獨立的，可以并發(fā)執(zhí)行的。例如，如果routinel和routine2可以互換，相互交叉和或者)重疊，他們就可以線程化。routinelroutine?finalroutineroutinelroutine?finalroutineUnalroutineroutinelUnalroutineroutinelroutines?擁有下述特性的程序可以使用pthreads：o工作可以被多個任務(wù)同時執(zhí)行，或者數(shù)據(jù)可以同時被多個任務(wù)操作。o阻塞與潛在的長時間I/O等待。o在某些地方使用很多CPU循環(huán)而其他地方?jīng)]有。o對異步事件必須響應(yīng)。o一些工作比其他的重要（優(yōu)先級中斷）。?Pthreads也可以用于串行程序，模擬并行執(zhí)行。很好例子就是經(jīng)典的web瀏覽器，對于多數(shù)人，運行于單CPU的桌面/膝上機器，許多東西可以同時“顯示”出來。?使用線程編程的幾種常見模型：o管理者7工作者（ManogeWo/?腕f）：—個單線程，作為管理器將工作分配給其它線程（工作者），典型的，管理器處理所有輸入和分配工作給其它任務(wù)。至少兩種形式的manager/worker模型比較常用：靜態(tài)worker池和動態(tài)worker池。o管道（Pipeline）:任務(wù)可以被劃分為一系列子操作，每一個被串行處理，但是不同的線程并發(fā)處理。汽車裝配線可以很好的描述這個模型。oPeer:和manager/worker模型相似，但是主線程在創(chuàng)建了其它線程后，自己也參與工作。?共享內(nèi)存模型（SharedMemoryModel）:?所有線程可以訪問全局，共享內(nèi)存?線程也有自己私有的數(shù)據(jù)?程序員負責對全局共享數(shù)據(jù)的同步存?。ūＷo）

threadthreadprivateprivatethreadthreadprivateprivateI線程安全(Thread-safeness):?線程安全：簡短的說，指程序可以同時執(zhí)行多個線程卻不會“破壞“共享數(shù)據(jù)或者產(chǎn)生“競爭”條件的能力。?例如：假設(shè)你的程序創(chuàng)建了幾個線程，每一個調(diào)用相同的庫函數(shù)：

o這個庫函數(shù)存取/修改了一個全局結(jié)構(gòu)或內(nèi)存中的位置。o當每個線程調(diào)用這個函數(shù)時，可能同時去修改這個全局結(jié)構(gòu)活內(nèi)存位置。o如果函數(shù)沒有使用同步機制去阻止數(shù)據(jù)破壞，這時，就不是線程安全的了。subA?如果你不是100%確定外部庫函數(shù)是線程安全的，自己負責所可能引發(fā)的問題。?建議：小心使用庫或者對象，當不能明確確定是否是線程安全的。若有疑慮，假設(shè)其不是線程安全的直到得以證明。可以通過不斷地使用不確定的函數(shù)找出問題所在。PthreadsAPIPthreadsAPI在ANSI/IEEEPOSIX1003.1T995標準中定義。不像MPI,該標準不是免費的，必須向IEEE購買。PthreadsAPI中的函數(shù)可以非正式的劃分為三大類：線程管理血management）:第一類函數(shù)直接用于線程：創(chuàng)建（creating），分離（detaching），連接（joining）等等。包含了用于設(shè)置和查詢線程屬性（可連接，調(diào)度屬性等）的函數(shù)?；コ饬縂W“te兀eQ:第二類函數(shù)是用于線程同步的，稱為互斥量（mutexes），是"mutualexclusion"的縮寫。Mutex函數(shù)提供了創(chuàng)建,銷毀，鎖定和解鎖互斥量的功能。同時還包括了一些用于設(shè)定或修改互斥量屬性的函數(shù)。條件變量Conditionvariables）：第三類函數(shù)處理共享一個互斥量的線程間的通信，基于程序員指定的條件。這類函數(shù)包括指定的條件變量的創(chuàng)建，銷毀，等待和受信（signal）。設(shè)置查詢條件變量屬性的函數(shù)也包含其中。

?命名約定：線程庫中的所有標識符都以pthread開頭RoutinePrefixFunctionalGrouppthread_線程本身和各種相關(guān)函數(shù)pthread_attr_線程屬性對象pthread_mutex_互斥量pthread_mutexattr_互斥量屬性對象pthread_cond_條件變量pthread_condattr_條件變量屬性對象pthread_key_線程數(shù)據(jù)鍵(Thread-specificdatakeys)?在API的設(shè)計中充滿了不透明對象的概念，基本調(diào)用可以創(chuàng)建或修改不透明對象。不透明的對象可以被一些屬性函數(shù)調(diào)用修改。?PthreadAPI包含了60多個函數(shù)。該教程僅限于一部分（對于剛開始學(xué)習(xí)Pthread的程序是非常有用的）。?為了可移植性，使用Pthread庫時，pthread.h頭文件必須在每個源文件中包含。?現(xiàn)行POSIX標準僅定義了C語言的使用。Fortran程序員可以嵌入C函數(shù)調(diào)用使用，有些Fortran編譯器（像IBMAIXFortran）可能提供了FortranpthreadsAPI。?關(guān)于Pthreads有些比較優(yōu)秀的書籍。其中一些在該教程的參考一節(jié)列出。編譯多線程程序?下表列出了一些編譯使用了pthreads庫程序的命令:■■Compiler/PlatformCompilerCommandDescriptionxlc_r/cc_rC(ANSI/non-ANSI)IBMxlC_rC++AIXxlf_r-qnosavexlf90_r-qnosaveFortran-usingIBM'sPthreadsAPI(non-portable)INTELicc-pthreadCLinuxicpc-pthreadC++PathScalepathcc-pthreadCLinuxpathCC-pthreadC++PGIpgcc-lpthreadCLinuxpgCC-lpthreadC++GNUgcc-pthreadGNUCLinux,AIXg++-pthreadGNUC++線程管理(ThreadManagement)創(chuàng)建和結(jié)束線程l函數(shù)：Ipthread_create(thread,attr,start_routine,arg)pthread_exit(status)pthread_attr_init(attr)pthread_attr_destroy(attr)、創(chuàng)建線程:?最初，main函數(shù)包含了一個缺省的線程。其它線程則需要程序員顯式地創(chuàng)建。pthread_create創(chuàng)建一個新線程并使之運行起來。該函數(shù)可以在程序的任何地方調(diào)用。pthread_create參數(shù)：thread:返回一個不透明的，唯一的新線程標識符。attr：不透明的線程屬性對象?？梢灾付ㄒ粋€線程屬性對象，或者NULL為缺省值。start_routine:線程將會執(zhí)行一次的C函數(shù)。arg:傳遞給start_routii^個參數(shù)，傳遞時必須轉(zhuǎn)換成指向void的指針類型。沒有參數(shù)傳遞時，可設(shè)置為NULL。一個進程可以創(chuàng)建的線程最大數(shù)量取決于系統(tǒng)實現(xiàn)。一旦創(chuàng)建，線程就稱為peers，可以創(chuàng)建其它線程。線程之間沒有指定的結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系。thread3?Q：—個線程被創(chuàng)建后，怎么知道操作系統(tǒng)何時調(diào)度該線程使之運行？A：除非使用了Pthreads的調(diào)度機制，否則線程何時何地被執(zhí)行取決于操作系統(tǒng)的實現(xiàn)。強壯的程序應(yīng)該不依賴于線程執(zhí)行的順序。、線程屬性：?線程被創(chuàng)建時會帶有默認的屬性。其中的一些屬性可以被程序員用線程屬性對象來修改。pthread_attr_init和pthread_attr_destroy用于初始化/銷毀先成屬性對象。?其它的一些函數(shù)用于查詢和設(shè)置線程屬性對象的指定屬性。一些屬性下面將會討論。L結(jié)束終止：?結(jié)束線程的方法有一下幾種：O線程從主線程(main函數(shù)的初始線程)返回。o線程調(diào)用了pthread_exit函數(shù)。o其它線程使用pthread_cancel函數(shù)結(jié)束線程。o調(diào)用exec或者exit函數(shù)，整個進程結(jié)束。?pthread_exit用于顯式退出線程。典型地，pthread_exit()函數(shù)在線程完成工作時，不在需要時候被調(diào)用，退出線程。?如果main()在其他線程創(chuàng)建前用pthread_exit()退出了，其他線程將會繼續(xù)執(zhí)行。否則，他們會隨著main的結(jié)束而終止。?程序員可以可選擇的指定終止狀態(tài)，當任何線程連接(join)該線程時，該狀態(tài)就返回給連接(join)該線程的線程。?清理：pthread_exit()函數(shù)并不會關(guān)閉文件，任何在線程中打開的文件將會一直處于打開狀態(tài)，知道線程結(jié)束。?討論：對于正常退出，可以免于調(diào)用pthread_exit()。當然，除非你想返回一個返回值。然而，在main中，有一個問題，就是當main結(jié)束時，其它線程還沒有被創(chuàng)建。如果此時沒有顯式的調(diào)用pthread_exit()，當main結(jié)束時，進程(和所有線程)都會終止?？梢栽趍ain中調(diào)用pthread_exit()，此時盡管在main中已經(jīng)沒有可執(zhí)行的代碼了，進程和所有線程將保持存活狀態(tài)，。例子:Pthread創(chuàng)建和終止?該例用pthread_create()創(chuàng)建了5個線程。每一個線程都會打印一條“HelloWorld"的消息，然后調(diào)用pthread_exit()終止線程。3JExampleCode-PthreadCreationandTermination#include<pthread.h>#include<stdio.h>#defineNUM_THREADS5void*PrintHello(void*threadid){inttid;tid=(int)threadid;printf("HelloWorld!It'sme,thread#%d!\n",tid);pthread_exit(NULL);}intmain(intargc,char*argv[]){pthread_tthreads[NUM_THREADS];intrc,t;for(t=0;t<NUM_THREADS;t++){printf("Inmain:creatingthread%d\n",t);rc=pthread_create(&threads[t],NULL,PrintHello,(void*)t);if(rc){printf("ERROR;returncodefrompthread_create()is%d\n",rc);exit(-l);}}pthread_exit(NULL);}卜Output線程管理向線程傳遞參數(shù)?pthread_create()函數(shù)允許程序員想線程的startroutine傳遞一個參數(shù)。當多個參數(shù)需要被傳遞時，可以通過定義一個結(jié)構(gòu)體包含所有要傳的參數(shù)，然后用pthread_create()傳遞一個指向改結(jié)構(gòu)體的指針，來打破傳遞參數(shù)的個數(shù)的限制。?所有參數(shù)都應(yīng)該傳引用傳遞并轉(zhuǎn)化成(void*)。?Q：怎樣安全地向一個新創(chuàng)建的線程傳遞數(shù)據(jù)？A：確保所傳遞的數(shù)據(jù)是線程安全的(不能被其他線程修改)。下面三個例子演示了那個應(yīng)該和那個不應(yīng)該。Example1-ThreadArgumentPassing下面的代碼片段演示了如何向一個線程傳遞一個簡單的整數(shù)。主線程為每一個線程使用一個唯一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保每個線程傳遞的參數(shù)是完整的。int*taskids[NUM_THREADS];for(t=0;t<NUM_THREADS;t++){taskids[t]二(int*)malloc(sizeof(int));*taskids[t]二t;printf("Creatingthread%d\n",t);rc=pthread_create(&threads[t],NULL,PrintHello,(void*)taskids[t]);0utput10Example2-ThreadArgumentPassing例子展示了用結(jié)構(gòu)體向線程設(shè)置/傳遞參數(shù)。每個線程獲得一個唯一的結(jié)構(gòu)體實例。struetthread_data{intthread_id;intsum;char*message;}；structthread_datathread_data_array[NUM_THREADS];void*PrintHello(void*threadarg){structthread_data*my_data;my_data=(structthread_data*)threadarg;taskid=my_data—>thread_id;sum=my_data—>sum;hello_msg=my_data—>message;}intmain(intargc,char*argv[]){thread_data_array[t].thread_id=t;thread_data_array[t].sum=sum;thread_data_array[t].message=messages]t];rc=pthread_create(&threads[t],NULL,PrintHello,(void*)&thread_data_array[t]);}卜O-utputExample3-ThreadArgumentPassing (Incorrect)例子演示了錯誤地傳遞參數(shù)。循環(huán)會在線程訪問傳遞的參數(shù)前改變傳遞給線程的地址的內(nèi)容。intrc,t;for(t=0;t<NUM_THREADS;t++){printf("Creatingthread%d\n",t);rc=pthread_create(&threads[t],NULL,PrintHello,

(void*)&t);卜(void*)&t);卜Output線程管理連接(Joining)和分離(Detaching)線程I函數(shù)：Ipthread_join(threadid,status)pthread_detach(threadid,status)pthread_attr_setdetachstate(attr,detachstate)pthread_attr_getdetachstate(attr,detachstate)I連接：? “連接”是一種在線程間完成同步的方法。例如：MasterThreadWorkerThreadDOWORKpthreadjoipthread,esc!MasterThreadWorkerThreadDOWORKpthreadjoipthread,esc!Worker

Thread?連接線程只能用pthread_join()連接一次。若多次調(diào)用就會發(fā)生邏輯錯誤。兩種同步方法，互斥量(mutexes)和條件變量(conditionvariables)，稍后討論。?可連接(JoinableorNot)??當一個線程被創(chuàng)建，它有一個屬性定義了它是可連接的(joinable)還是分離的(detached)。只有是可連接的線程才能被連接(joined)，若果創(chuàng)建的線程是分離的，則不能連接。POSIX標準的最終草案指定了線程必須創(chuàng)建成可連接的。然而，并非所有實現(xiàn)都遵循此約定。?使用pthread_create()的attr參數(shù)可以顯式的創(chuàng)建可連接或分離的線程，典型四步如下：聲明一個pthread_attr_t數(shù)據(jù)類型的線程屬性變量用pthread_attr_init()初始化改屬性變量用pthread_attr_setdetachstate()設(shè)置可分離狀態(tài)屬性完了后，用pthread_attr_destroy()釋放屬性所占用的庫資源I分離(Detaching)：pthread_detach()可以顯式用于分離線程，盡管創(chuàng)建時是可連接的。?沒有與pthread_detach()功能相反的函數(shù)I建議：?若線程需要連接，考慮創(chuàng)建時顯式設(shè)置為可連接的。因為并非所有創(chuàng)建線程的實現(xiàn)都是將線程創(chuàng)建為可連接的。?若事先知道線程從不需要連接，考慮創(chuàng)建線程時將其設(shè)置為可分離狀態(tài)。一些系統(tǒng)資源可能需要釋放。例子：PthreadJoiningExampleCode-PthreadJoining這個例子演示了用Pthreadjoin函數(shù)去等待線程終止。因為有些實現(xiàn)并不是默認創(chuàng)建線程是可連接狀態(tài)，例子中顯式地將其創(chuàng)建為可連接的。#defineNUM_THREADS3void*BusyWork(void*null){inti;doubleresult=0.0;for(i=0;i<1000000;i++){result二result+(double)random();}printf("result二％e\n",result);pthread_exit((void*)0);}intmain(intargc,char*argv[]){pthread_tthread[NUM_THREADS];pthread_attr_tattr;intrc,t;void*status;/*Initializeandsetthreaddetachedattribute*/pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_JOINABLE);for(t=0;t<NUM_THREADS;t++){printf("Creatingthread%d\n",t);rc=pthread_create(&thread[t],&attr,BusyWork,NULL);if(rc){printf("ERROR;returncodefrompthread_create()is%d\n",rc);exit(-l);}}/*Freeattributeandwaitfortheotherthreads*/pthread_attr_destroy(&attr);for(t=0;t<NUM_THREADS;t++){rc=pthread_join(thread[t],&status);if(rc){printf("ERROR;returncodefrompthread_join()is%d\n",rc);exit(-l);}printf("Completedjoinwiththread%dstatus二%ld\n",t,(long)status);}pthread_exit(NULL);}—卜O-utput線程管理棧管理L函數(shù)：Ipthread_attr_getstacksize(attr,stacksize)pthread_attr_setstacksize(attr,stacksize)pthread_attr_getstackaddr(attr,stackaddr)pthread_attr_setstackaddr(attr,stackaddr)I防止棧問題：POSIX標準并沒有指定線程棧的大小，依賴于實現(xiàn)并隨實現(xiàn)變化。?很容易超出默認的棧大小，常見結(jié)果：程序終止或者數(shù)據(jù)損壞。?安全和可移植的程序應(yīng)該不依賴于默認的棧限制，但是取而代之的是用pthread_attr_setstacksize分配足夠的棧大小。pthread_attr_getstackaddr和pthread_attr_setstackaddr函數(shù)可以被程序用于將棧設(shè)置在指定的內(nèi)存區(qū)域。卜在lc上的一些實際例子：?默認棧大小經(jīng)常變化很大，最大值也變化很大，可能會依賴于每個節(jié)點的線程數(shù)目。NodeArchitecture#CPUsMemory(GB)DefaultSize(bytes)AMDOpteron8162,097,152IntelIA644833,554,432IntelIA32242,097,152IBMPower5832196,608IBMPower4816196,608IBMPower316169&304例子：棧管理ExampleCode-StackManagement這個例子演示了如何去查詢和設(shè)定線程棧大小。#include<pthread.h>#include<stdio.h>#defineNTHREADS4#defineN1000#defineMEGEXTRA1000000pthread_attr_tattr;void*dowork(void*threadid){doubleA[N][N];inti,j,tid;size_tmystacksize;tid=(int)threadid;pthread_attr_getstacksize(&attr,&mystacksize);printf("Thread%d:stacksize=%libytes\n",tid,mystacksize);for(i=0;i<N;i++)for(j=0;j<N;j++)A[i][j]=((i*j)/3.452)+(N-i);pthread_exit(NULL);}intmain(intargc,charpthread_self返回調(diào)用該函數(shù)的線程的唯一，系統(tǒng)分配的線程ID。pthread_self返回調(diào)用該函數(shù)的線程的唯一，系統(tǒng)分配的線程ID。 pthread_equal比較兩個線程ID,若不同返回0,否則返回非0值。?注意這兩個函數(shù)中的線程ID對象是不透明的，不是輕易能檢查的。因為線程ID是不透明的對象，所以C語言的==操作符不能用于比較兩個線程ID。{pthread_tthreads[NTHREADS];size_tstacksize;intrc,t;pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_getstacksize(&attr,&stacksize);printf("Defaultstacksize=%li\n",stacksize);stacksize=sizeof(double)*N*N+MEGEXTRA;printf("Amountofstackneededperthread=%li\n",stacksize);pthread_attr_setstacksize(&attr,stacksize);printf("Creatingthreadswithstacksize=%libytes\n",stacksize);for(t=0;t〈NTHREADS;t++){rc=pthread_create(&threads[t],&attr,dowork,(void*)t);if(rc){printf("ERROR;returncodefrompthread_create()is%d\n",rc);exit(-l);}}printf("Created%dthreads.\n",t);pthread_exit(NULL);}其他各種函數(shù)：pthread_self()pthread_equal(thread1,thread2)pthread_once(once_control,init_routine)pthread_once在一個進程中僅執(zhí)行一次init_routine。任何線程第一次調(diào)用該函數(shù)會執(zhí)行給定的init_routine，不帶參數(shù)，任何后續(xù)調(diào)用都沒有效果。init_routine函數(shù)一般是初始化的程序once_control參數(shù)是一個同步結(jié)構(gòu)體，需要在調(diào)用pthread_once前初始化。例如：pthread_once_tonce_control=PTHREAD_ONCE_INIT;互斥量(MutexVariables)概述?互斥量（Mutex）是“皿utualexclusion"的縮寫?；コ饬渴菍崿F(xiàn)線程同步,和保護同時寫共享數(shù)據(jù)的主要方法互斥量對共享數(shù)據(jù)的保護就像一把鎖。在Pthreads中，任何時候僅有一個線程可以鎖定互斥量，因此，當多個線程嘗試去鎖定該互斥量時僅有一個會成功。直到鎖定互斥量的線程解鎖互斥量后，其他線程才可以去鎖定互斥量。線程必須輪著訪問受保護數(shù)據(jù)。互斥量可以防止“競爭"條件。下面的例子是一個銀行事務(wù)處理時發(fā)生了競爭條件：Thread1Thread2BalanceReadbalance:$1000$1000Readbalance:$1000$1000Deposit$200$1000Deposit$200$1000Updatebalance$1000+$200$1200Updatebalance$1000+$200$1200?上面的例子，當一個線程使用共享數(shù)據(jù)資源時，應(yīng)該用一個互斥量去鎖定“Balance"。?一個擁有互斥量的線程經(jīng)常用于更新全局變量。確保了多個線程更新同樣的變量以安全的方式運行，最終的結(jié)果和一個線程處理的結(jié)果是相同的。這個更新的變量屬于一個“臨界區(qū)(criticalsection)"。?使用互斥量的典型順序如下：o創(chuàng)建和初始一個互斥量o多個線程嘗試去鎖定該互斥量o僅有一個線程可以成功鎖定改互斥量o鎖定成功的線程做一些處理o線程解鎖該互斥量o另外一個線程獲得互斥量，重復(fù)上述過程o最后銷毀互斥量?當多個線程競爭同一個互斥量時，失敗的線程會阻塞在lock調(diào)用處?？梢杂谩皌rylock”替換“l(fā)ock"，則失敗時不會阻塞。?當保護共享數(shù)據(jù)時，程序員有責任去確認是否需要使用互斥量。如，若四個線程會更新同樣的數(shù)據(jù)，但僅有一個線程用了互斥量，則數(shù)據(jù)可能會損壞?；コ饬?MutexVariables)創(chuàng)建和銷毀互斥量l函數(shù)：Ipthread_mutex_init(mutex,attr)pthread_mutex_destroy(mutex)pthread_mutexattr_init(attr)pthread_mutexattr_destroy(attr)?互斥量必須用類型pthread_mutex_t類型聲明，在使用前必須初始化，這里有兩種方法可以初始化互斥量：聲明時靜態(tài)地，如：pthread_mutex_tmymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;動態(tài)地用pthread_mutex_init()函數(shù)，這種方法允許設(shè)定互斥量的屬性對象attr?；コ饬砍跏蓟笫墙怄i的。attr對象用于設(shè)置互斥量對象的屬性，使用時必須聲明為pthread_mutextattr_t類型，默認值可以是NULL。Pthreads標準定義了三種可選的互斥量屬性：o協(xié)議(Protocol)：指定了協(xié)議用于阻止互斥量的優(yōu)先級改變o優(yōu)先級上限(Prioceiling):指定互斥量的優(yōu)先級上限o進程共享(Process-shared):指定進程共享互斥量注意所有實現(xiàn)都提供了這三個可先的互斥量屬性。pthread_mutexattr_init()和pthread_mutexattr_destroy()函數(shù)分另U用于創(chuàng)建和銷毀互斥量屬性對象。pthread_mutex_destroy()應(yīng)該用于釋放不需要再使用的互斥量對象。互斥量(MutexVariables)鎖定和解鎖互斥量I函數(shù)：Ipthread_mutex_lock(mutex)pthread__mutex_trylock(mutex)pthread_mutex_unlock(mutex)I用法：線程用pthread_mutex_lock()函數(shù)去鎖定指定的mutex變量，若該mutex已經(jīng)被另外一個線程鎖定了，該調(diào)用將會阻塞線程直到mutex被解鎖。pthread_mutex_trylock()willattempttolockamutex.However,fthemutexisalreadylocked,theroutinewillreturnimmediatelywitha"busy"errorcode.Thisroutinemaybeusefulinpthread_mutex_trylock()嘗試著去鎖定一個互斥量，然而，若互斥量已被鎖定，程序會立刻返回并返回一個忙錯誤值。該函數(shù)在優(yōu)先級改變情況下阻止死鎖是非常有用的。?線程可以用pthread_mutex_unlock()解鎖自己占用的互斥量。在一個線程完成對保護數(shù)據(jù)的使用，而其它線程要獲得互斥量在保護數(shù)據(jù)上工作時，可以調(diào)用該函數(shù)。若有一下情形則會發(fā)生錯誤：o互斥量已經(jīng)被解鎖o互斥量被另一個線程占用?互斥量并沒有多么“神奇”的，實際上，它們就是參與的線程的“君子約定”。寫代碼時要確信正確地鎖定，解鎖互斥量。下面演示了一種邏輯錯誤：Thread1Thread2Thread3LockLockA=2A=A+1A=A*BUnlockUnlock?Q：有多個線程等待同一個鎖定的互斥量，當互斥量被解鎖后，那個線程會第一個鎖定互斥量？A：除非線程使用了優(yōu)先級調(diào)度機制，否則，線程會被系統(tǒng)調(diào)度器去分配,那個線程會第一個鎖定互斥量是隨機的。例子：使用互斥量ExampleCode-UsingMutexes例程演示了線程使用互斥量處理一個點積(dotproduct)計算。主數(shù)據(jù)通過一個可全局訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被所有線程使用，每個線程處理數(shù)據(jù)的不同部分，主線程等待其他線程完成計算并輸出結(jié)果。#include<pthread.h>#include<stdio.h>#include<malloc.h>/*Thefollowingstructurecontainsthenecessaryinformationtoallowthefunction"dotprod"toaccessitsinputdataandplaceitsoutputintothestructure.*/typedefstruct{TOC\o"1-5"\h\zdouble *a;double *b;double sum;intveclen;}DOTDATA;/*Definegloballyaccessiblevariablesandamutex*/#defineNUMTHRDS4#defineVECLEN100DOTDATAdotstr;pthread_tcallThd[NUMTHRDS];pthread_mutex_tmutexsum;/*Thefunctiondotprodisactivatedwhenthethreadiscreated.AllinputtothisroutineisobtainedfromastructureoftypeDOTDATAandalloutputfromthisfunctioniswrittenintothisstructure.Thebenefitofthisapproachisapparentforthmulti—threadedprogram:whenathreadiscreatedwepassasingleargumenttotheactivatedfunction—typicallythisargumentisathreadnumber.Alltheotherinformationrequiredbythefunctionisaccessedfromthegloballyaccessiblestructure.*/void*dotprod(void*arg){/*Defineanduselocalvariablesforconvenience*/inti,start,end,offset,len;doublemysum,*x,*y;offset二(int)arg;len=dotstr.veclen;start二offset*len;end=start+len;x=dotstr.a;y=dotstr.b;/*Performthedotproductandassignresulttotheappropriatevariableinthestructure.*/mysum=0;for(i=start;i<end;i++){mysum+=(x[i]*y[i]);}/*Lockamutexpriortoupdatingthevalueinthesharedstrueture,andunlockituponupdating.*/pthread_mutex_loek(&mutexsum);dotstr.sum+=mysum;pthread_mutex_unlock(&mutexsum);pthread_exit((void*)0);}/*Themainprogramcreatesthreadswhichdoalltheworkandthenprintoutresultuponcompletion.Beforecreatingthethreads,theinputdataiscreated.Sinceallthreadsupdateasharedstructure,weneedamutexformutualexclusion.Themainthreadneedstowaitforallthreadstocomplete,itwaitsforeachoneofthethreads.Wespecifyathreadattributevaluethatallowthemainthreadtojoinwitthethreadsitcreates.Notealsothatwefreeuphandleswhentheyarenolongerneeded.*/intmain(intargc,char*argv[]){inti;double*a,*b;void*status;pthread_attr_tattr;/*Assignstorageandinitializevalues*/a=(double*)malloc(NUMTHRDS*VECLEN*sizeof(double));b=(double*)malloc(NUMTHRDS*VECLEN*sizeof(double));for(i=0;i<VECLEN*NUMTHRDS;i++){a[i]=1.0;b[i]=a[i];}dotstr.veclen=VECLEN;dotstr.a=a;

dotstr.b=b;dotstr.sum=0;pthread_mutex_init(&mutexsum,NULL);/*Createthreadstoperformthedotproduct*/pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_JOINABLE);for(i=0;i<NUMTHRDS;i++){/*Eachthreadworksonadifferentsetofdata.Theoffsetisspecifiedby'i'.ThesizeofthedataforeachthreadisindicatedbyVECLEN.*/pthread_create(&callThd[i],&attr,dotprod,(void*)i)}pthread_attr_destroy(&attr);/*Waitontheotherthreads*/for(i=0;i<NUMTHRDS;i++){pthread_join(callThd[i],&status);}/*Afterjoining,printouttheresultsandcleanup*/printf("Sum=%f\n",dotstr.sum);free(a);free(b);pthread_mutex_destroy(&mutexsum);pthread_exit(NULL);}、Source、SourceSerialversionPthreadsversion條件變量(ConditionVariables)

概述?條件變量提供了另一種同步的方式?；コ饬客ㄟ^控制對數(shù)據(jù)的訪問實現(xiàn)了同步，而條件變量允許根據(jù)實際的數(shù)據(jù)值來實現(xiàn)同步。?沒有條件變量，程序員就必須使用線程去輪詢（可能在臨界區(qū)），查看條件是否滿足。這樣比較消耗資源，因為線程連續(xù)繁忙工作。條件變量是一種可以實現(xiàn)這種輪詢的方式。?條件變量往往和互斥一起使用?使用條件變量的代表性順序如下：主線程(MainThread)oooo聲明和初始化需要同步的全局數(shù)據(jù)/變量（如“oooo創(chuàng)建工作線程A和BThreadAThreadBo工作，一直到一定的o工作條件滿足（如“count”等于o鎖定相關(guān)互斥量一個指定的值）o改變Thread-A所等