2015-09-28
敬叶 初稿

Linux POSIX线程

进程可以看作单个线程，多线程就是在一个进程中开启多个运行线程，每个进程使用各自的内存地址空间和文件描述符，但是线程不一样，同一进程下开启的线程自动继承相同的地址空间和文件描述符。

Linux下有一个遵循POSIX.1-2001的线程接口，叫pthread。线程也有线程ID，叫TID。创建线程用如下函数。 

int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,
                   const pthread_attr_t *restrict attr,
                   void *(*thread_func)(void *), void *restrict arg);
tidp
用于保存创建线程的TID
attr
用于设置线程的属性，可以传递NULL
thread_func
即是当作线程执行的函数，线程继承地址空间和信号mask，但是pending信号被清除
arg
即thread_func的参数

如果一个进程中的任何一个线程调用exit()，将会导致整个进程退出，单个进程的退出可以通过如下三种方式：

  • 通过return语句返回
  • 被同进程下的其它线程取消
  • 通过pthread_exit()函数退出
void pthread_exit(void *rval_ptr);
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
int pthread_cancel(pthread_t tid);      // will not wait terminate
pthread_join
该函数会阻塞，直到指定线程调用pthread_exit()，这里的rval_ptr是为了获取线程的返回值。

线程同步

互斥锁

为了保证线程之间对共享资源的正确访问，需要用到锁。 mutex互斥机制是一个常用的锁。 

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
                       const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,
                            const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

使用互斥锁一个常见问题是出现死锁，避免死锁需遵循如下两个原则：

  • 禁止在同一个线程锁两次，或者锁了之后不释放
  • 如果要锁两个锁，所有代码应遵循相同的加锁顺序

读写锁

读写锁能更细致处理读写工作，如果已经加上读锁，继续加读锁是允许的，但是如果要上写锁，就必须等待所有的读锁释放。这样做有一个潜在的问题，就是造成写入饥饿，为了解决这个问题，一般在实现上是这么考虑的，如果有人试图上写锁，那么新的读锁将被阻塞。 

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                        const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                               const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                               const struct timespec *restrict tsptr);

条件值

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
                      const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
                      pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
                           pthread_mutex_t *restrict mutex,
                           const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

自旋锁

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
pshared
可以为：PTHREAD_PROCESS_SHARED和PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，共享状态下，其它进程的线程也可以使用。

屏障

屏障用于等待其它线程到达某个点，如pthread_join就是一个屏障。 

int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier,
const pthread_barrierattr_t *restrict attr,
unsigned int count);
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);
count
需要抵达屏障点的线程个数
attr
可以设置为NULL

该屏障的用法比较简单，任何调用wait的线程都将在调用点停下来，直到调用次数达到count，然后所有的线程都被唤醒。

线程控制

可重入

当一个函数可以在多线程中同时调用，就认为是线程安全的。下表所列函数不是线程安全的。

basename getchar_unlocked getservent putc_unlocked
catgets getdate getutxent putchar_unlocked
crypt getenv getutxid putenv
dbm_clearerr getgrent getutxline pututxline
dbm_close getgrgid gmtime rand
dbm_delete getgrnam hcreate readdir
dbm_error gethostent hdestroy setenv
dbm_fetch getlogin hsearch setgrent
dbm_firstkey getnetbyaddr inet_ntoa setkey
dbm_nextkey getnetbyname l64a setpwent
dbm_open getnetent lgamma setutxent
dbm_store getopt lgammaf strerror
dirname getprotobyname lgammal strsignal
dlerror getprotobynumber localeconv strtok
drand48 getprotoent localtime system
encrypt getpwent lrand48 ttyname
endgrent getpwnam mrand48 unsetenv
endpwent getpwuid nftw wcstombs
endutxent getservbyname nl_langinfo wctomb
getc_unlocked getservbyport ptsname