linux多线程机制-线程同步

1．引言

　　目前,许多流行的多任务操作系统都提供线程机制,线程就是程序中的 单个顺序控制流。利用多线程进行程序设计,就是将一个程序(进程)的任务划分为执行的多个部分(线程) ,每一个线程为一个顺序的单控制流,而所有线程都是并发执行的,这样,多线程程序就可以实现并行计算,高效利用多处理器。线程可分为用户级线程和内核级线 程两种基本类型。用户级线程不需要内核支持,可以在用户程序中实现,线程调度、同步与互斥都需要用户程序自己完成。内核级线程需要内核参与,由内核完成线 程调度并提供相应的系统调用,用户程序可以通过这些接口函数对线程进行一定的控制和管理。Linux操作系统提供了LinuxThreads库，它是符合POSIX1003.1c标准的内核级多线程函数库。在linuxthreads库中提供了一些多线程编程的关键函数，在多线程编程时应包括pthread.h文件。

　　2.LinuxThread中的关键库函数

　　2.1线程的创建和终止

　　int pthread_create(pthread_t * pthread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine(*void)),void *arg);调用此函数可以创建一个新的线程，新线程创建后执行start_routine 指定的程序。其中参数attr是用户希望创建线程的属性，当为NULL时表示以默认的属性创建线程。arg是向start_routine 传递的参数。当成功创建一个新的线程时，系统会自动为新线程分配一个线程ID号，并通过pthread 返回给调用者。

　　void pthread_exit(void *value_ptr);调用该函数可以退出线程，参数value_ptr是一个指向返回状态值的指针。

　　2.2线程控制函数

　　pthread_self(void);为了区分线程，在线程创建时系统为其分配一个唯一的ID号，由pthread_create()返回给调用者，也可以通过pthread_self()获取自己的线程ID。

　　Int pthread_join (pthread- t thread , void * *status);这个函数的作用是等待一个线程的结束。调用pthread_join()的线程将被挂起直到线程ID为参数thread 指定的线程终止。

　　int pthread_detach(pthread_t pthread);参数pthread代表的线程一旦终止，立即释放调该线程占有的所有资源。

　　2.3线程间的互斥

　　互斥量和临界区类似，只有拥有互斥量的线程才具有访问资源的权限， 由于互斥对象只有一个，这就决定了任何情况下共享资源（代码或变量）都不会被多个线程同时访问。使用互斥不仅能够在同一应用程序的不同线程中实现资源的安 全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。Linux中通过pthread_mutex_t来定义互斥体机制完成互斥操作。具体的操作函数如下

　　pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);初使化一个互斥体变量mutex，参数attr表示按照attr属性创建互斥体变量mutex，如果参数attr为NULL，则以默认的方式创建。

　　pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);给一个互斥体变量上锁，如果mutex指定的互斥体已经被锁住，则调用线程将被阻塞直到拥有mutex的线程对mutex解锁为止。

　　Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);对参数mutex指定的互斥体变量解锁。

　　2.4线程间的同步

　　同步就是线程等待某一个事件的发生，当等待的事件发生时，被等待的线程和事件一起继续执行。如果等待的事件未到达则挂起。在linux操作系统中是通过条件变量来实现同步的。

　　Pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,const pthread_cond_t *attr);这个函数按参数attr指定的属性初使化一个条件变量cond。

　　Pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);等待一个事件（条件变量）的发生，发出调用的线程自动阻塞，直到相应的条件变量被置1。等待状态的线程不占用CPU时间。

　　pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);解除一个等待参数cond指定的条件变量的线程的阻塞状态。

3．多线程编程的应用实例

　　在这里利用多线程技术实现生产者和消费者问题，生产者线程向一缓冲区中写数据， 消费者线程从缓冲区中读取数据，由于生产者线程和消费者线程共享同一缓冲区，为了正确读写数据，在使用缓冲队列时必须保持互斥。生产者线程和消费者线程必 须满足：生产者写入缓冲区的数目不能超过缓冲区容量，消费者读取的数目不能超过生产者写入的数目。在程序中使用了一个小技巧来判断缓冲区是空还是满。在初 始化时读指针和写指针为0;如果读指针等于写指针,则缓冲区是空的;如果(写指针+ 1) % N 等于读指针,则缓冲区是满的,%表示取余数,这时实际上有一个单元空出未用。下面是完整的程序段和注释。

　　#include

　　#include

　　#define BUFFER_SIZE 8

　　struct prodcons {

　　int buffer[BUFFER_SIZE];

　　pthread_mutex_t lock;      //互斥LOCK

　　int readpos , writepos;

　　pthread_cond_t notempty;   //缓冲区非空条件判断

　　pthread_cond_t notfull;    //缓冲区未满条件判断

　　};

　　void init(struct prodcons * b){

　　pthread_mutex_init(&b->lock,NULL);

　　pthread_cond_init(&b->notempty,NULL);

　　pthread_cond_init(&b->notfull,NULL);

　　b->readpos=0;

　　b->writepos=0;

　　}

　　void put(struct prodcons* b,int data){

　　pthread-_mutex_lock(&b->lock);

　　if((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos)

　　{

　　pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock) ;

　　}

　　b->buffer[b->writepos]=data;

　　b->writepos++;

　　if(b->writepos >= BUFFER_SIZE)

　　b->writepos=0;

　　pthread_cond_signal(&b->notempty);

　　pthread_mutex_unlock(&b->lock);

　　}

　　int get(struct prodcons *b){

　　int data;

pthread_mutex_lock(&b->lock);

　　if(b->writepos == b->readpos)

　　{

　　pthread_cond _wait(&b->notempty, &b->lock);

　　}

　　data = b->buffer[b->readpos];

　　b->readpos++;

　　if(b->readpos >= BUFFER_SIZE)

　　b->readpos=0;

　　pthread_cond_signal(&b->notfull);

　　pthread_mutex_unlock(&b->lock);

　　return data;

　　}

#define OVER (-1)

　　struct prodcons buffer;

　　void *producer(void *data)

　　{

　　int n;

　　for(n = 0; n < 10000; n++)

　　{

　　printf("%d \n", n) ;

　　put(&buffer, n);

　　}

　　put(&buffer, OVER);

　　return NULL;

　　}

　　void *consumer(void * data)

　　{

　　int d;

　　while(1)

　　{

　　d = get(&buffer);

　　if(d == OVER)

　　break;

　　printf("%d\n", d);

　　}

　　return NULL;

　　}

　　int main(void)

　　{

pthread_t th_a, th_b;

　　void *retval;

　　init(&buffer);

　　pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);

　　& nbsp;   pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);

　　pthread_join(th_a, &retval);

　　pthread_join(th_b, &retval);

　　return 0;

　　}

　　上 面的例子中，生产者负责将1到1000的整数写入缓冲区，而消费者负责从同一个缓冲区中读取写入的整数并打印出来。因为生产者和消费者是两个同时运行的线 程，并且要使用同一个缓冲区进行数据交换，因此必须利用一种机制进行同步。通过上面的例子我们可以看到，多线程的最大好处是，除堆栈之外，几乎所有的数据 均是共享的，因此线程间的通讯效率很高；缺点：因为共享所有数据，从而非常容易导致线程之间互相破坏数据，这一点在编程时必须注意。

　　4.结束语

　　Linux中基于POSIX标准的很好的支持了多线程技术，它减少了程序并发执行时的系统开销,提高了计算机的工作效率。在具体编程过程中要了解线程的间的关系,还要考虑共享数据的保护,在互斥和同步机制下保证代码的高效运行，程序编译时用gcc -D –REENTRANT -libpthread.xx.so filename.c编译。