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Posix线程编程简介(理论篇)  

2012-06-23 22:21:53|  分类: C和C++语言 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文编辑整理自: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/thread/posix_threadapi/part1/
一、线程创建
1.1 、线程与进程
  相对进程而言,线程是一个更加接近于执行体的概念,它可以与同进程中的其他线程共享数据,但拥有自己的栈空间,拥有独立的执行序列。在串行程序基础上引入线程和进程是为了提高程序的并发度,从而提高程序运行效率和响应时间。
线程和进程在使用上各有优缺点:线程执行开销小,但不利于资源的管理和保护;而进程正相反。同时,线程适合于在SMP机器上运行,而进程则可以跨机器迁移。
1.2、 创建线程
POSIX通过pthread_create()函数创建线程,API定义如下:
int  pthread_create(pthread_t  *  thread, pthread_attr_t * attr, void * (*start_routine)(void *), void * arg)
与fork()调用创建一个进程的方法不同,pthread_create()创建的线程并不具备与主线程(即调用pthread_create()的线程)同样的执行序列,而是使其运行start_routine(arg)函数。thread返回创建的线程ID,而attr是创建线程时设置的线程属性(见下)。pthread_create()的返回值表示线程创建是否成功。尽管arg是void *类型的变量,但它同样可以作为任意类型的参数传给start_routine()函数;同时,start_routine()可以返回一个void *类型的返回值,而这个返回值也可以是其他类型,并由pthread_join()获取。
关于pthread_create的更多内容请阅读《pthread_create简介
1.3、 线程属性
pthread_create()中的attr参数是一个结构指针,结构中的元素分别对应着新线程的运行属性。
关于此的详细内容请阅读《线程属性pthread_attr_t
1.4 、线程创建的Linux实现
  我们知道,Linux的线程实现是在核外进行的,核内提供的是创建进程的接口do_fork()。内核提供了两个系统调用__clone()和fork(),最终都用不同的参数调用do_fork()核内API。当然,要想实现线程,没有核心对多进程(其实是轻量级进程)共享数据段的支持是不行的,因此,do_fork()提供了很多参数,包括CLONE_VM(共享内存空间)、CLONE_FS(共享文件系统信息)、CLONE_FILES(共享文件描述符表)、CLONE_SIGHAND(共享信号句柄表)和CLONE_PID(共享进程ID,仅对核内进程,即0号进程有效)。当使用fork系统调用时,内核调用do_fork()不使用任何共享属性,进程拥有独立的运行环境,而使用pthread_create()来创建线程时,则最终设置了所有这些属性来调用__clone(),而这些参数又全部传给核内的do_fork(),从而创建的"进程"拥有共享的运行环境,只有栈是独立的,由__clone()传入。
Linux线程在核内是以轻量级进程的形式存在的,拥有独立的进程表项,而所有的创建、同步、删除等操作都在核外pthread库中进行。pthread库使用一个管理线程(__pthread_manager(),每个进程独立且唯一)来管理线程的创建和终止,为线程分配线程ID,发送线程相关的信号(比如Cancel),而主线程(pthread_create())的调用者则通过管道将请求信息传给管理线程。
二、线程取消
2.1、 线程取消的定义
一般情况下,线程在其主体函数退出的时候会自动终止,但同时也可以因为接收到另一个线程发来的终止(取消)请求而强制终止。
2.2 、线程取消的语义
线程取消的方法是向目标线程发Cancel信号,但如何处理Cancel信号则由目标线程自己决定,或者忽略、或者立即终止、或者继续运行至Cancelation-point(取消点),由不同的Cancelation状态决定。
线程接收到CANCEL信号的缺省处理(即pthread_create()创建线程的缺省状态)是继续运行至取消点,也就是说设置一个CANCELED状态,线程继续运行,只有运行至Cancelation-point的时候才会退出。
2.3、 取消点
  根据POSIX标准,pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函数以及read()、write()等会引起阻塞的系统调用都是Cancelation-point,而其他pthread函数都不会引起Cancelation动作。但是pthread_cancel的手册页声称,由于LinuxThread库与C库结合得不好,因而目前C库函数都不是Cancelation-point;但CANCEL信号会使线程从阻塞的系统调用中退出,并置EINTR错误码,因此可以在需要作为Cancelation-point的系统调用前后调用pthread_testcancel(),从而达到POSIX标准所要求的目标,即如下代码段

pthread_testcancel();
retcode = read(fd, buffer, length);
pthread_testcancel();

:POSIX确实要求read等函数要实现cancelation point功能,但是目前这个功能没有实现pthread_testcancel在这里的用途是手工添加一个cancelation point,也就是说自己实现了cancelation point的功能。read前为什么要添加,这是因为read可能长时间阻塞,在这之前应该首先检查线程是否被cancel了,以免线程已经被cancel但是长时间无法退出。read后添加是因为线程如果阻塞在read时收到了cancel信号,read会被中断并返回,所以用pthread_testcancel()来添加一个cancelation point,以检查一下是否确实收到了这个信号,还是收到了其它信号(或函数正常返回或出现了其它错误)
2.4 、程序设计方面的考虑
 如果线程处于无限循环中,且循环体内没有执行至取消点的必然路径,则线程无法由外部其他线程的取消请求而终止。因此在这样的循环体的必经路径上应该加入pthread_testcancel()调用。
2.5 、与线程取消相关的pthread函数
int pthread_cancel(pthread_t thread) 
发送终止信号给thread线程,如果成功则返回0,否则为非0值。发送成功并不意味着thread会终止。
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate) 
设置本线程对Cancel信号的反应,state有两种值:PTHREAD_CANCEL_ENABLE(默认值)和PTHREAD_CANCEL_DISABLE,分别表示收到信号后设为CANCLED状态和忽略CANCEL信号继续运行;old_state如果不为NULL则存入原来的Cancel状态以便恢复。
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype) 
设置本线程取消动作的执行时机,type由两种取值:PTHREAD_CANCEL_DEFFERED (默认值) 和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS,仅当Cancel状态为Enable时有效, PTHREAD_CANCEL_DEFFERED 表示收到信号后继续运行至下一个取消点再退出,PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS立即执行取消动作(退出);oldtype如果不为NULL则存入原来的取消动作类型值。
void pthread_testcancel(void) 
添加一个Cancelation-point只有当前线程被设置为PTHREAD_CANCEL_ENABLE时才有意义。该函数检查本线程是否处于Canceld状态,如果是,则cancel当前线程;否则仅仅直接返回。
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