pthread_create()之前的屬性設定

一.pthread_create()之前的屬性設定

1．線程屬性設定

我們用pthread_create函數建立一個線程，在這個線程中，我們使用預設參數，即将該函數的第二個參數設為NULL。的确，對大多數程式來說，使用預設屬性就夠了，但我們還是有必要來了解一下線程的有關屬性。

屬性結構為pthread_attr_t，它同樣在頭檔案pthread.h中定義，屬性值不能直接設定，須使用相關函數進行操作，初始化的函數為pthread_attr_init，這個函數必須在pthread_create函數之前調用。屬性對象主要包括是否綁定、是否分離、

堆棧位址、堆棧大小、優先級。預設的屬性為非綁定、非分離、預設的堆棧、與父程序同樣級别的優先級。

2．綁定

關于線程的綁定，牽涉到另外一個概念：輕程序（LWP：Light Weight Process）。輕程序可以了解為核心線程，它位于使用者層和系統層之間。系統對線程資源的配置設定、對線程的控制是通過輕程序來實作的，一個輕程序可以控制一個或多個線程。預設狀況下，啟動多少輕程序、哪些輕程序來控制哪些線程是由系統來控制的，這種狀況即稱為非綁定的。綁定狀況下，則顧名思義，即某個線程固定的"綁"在一個輕程序之上。被綁定的線程具有較高的響應速度，這是因為CPU時間片的排程是面向輕程序的，綁定的線程可以保證在需要的時候它總有一個輕程序可用。通過設定被綁定的輕程序的優先級和排程級可以使得綁定的線程滿足諸如實時反應之類的要求。

　　設定線程綁定狀态的函數為 pthread_attr_setscope，它有兩個參數，第一個是指向屬性結構的指針，第二個是綁定類型，它有兩個取值： PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（綁定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非綁定的）。下面的代碼即建立了一個綁定的線程。

＃i nclude

pthread_attr_t attr;

pthread_t tid;

/*初始化屬性值，均設為預設值*/

pthread_attr_init(&attr);

pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);

pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);

3．線程分離狀态

   線程的分離狀态決定一個線程以什麼樣的方式來終止自己。非分離的線程終止時，其線程ID和退出狀态将保留，直到另外一個線程調用pthread_join.分離的線程在當它終止時，所有的資源将釋放，我們不能等待它終止。

    設定線程分離狀态的函數為 pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。第二個參數可選為PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離線程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分離線程）。這裡要注意的一點是，如果設定一個線程為分離線程，而這個線程運作又非常快，它很可能在 pthread_create函數傳回之前就終止了，它終止以後就可能将線程号和系統資源移交給其他的線程使用，這樣調用pthread_create的線程就得到了錯誤的線程号。要避免這種情況可以采取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被建立的線程裡調用 pthread_cond_timewait函數，讓這個線程等待一會兒，留出足夠的時間讓函數pthread_create傳回。設定一段等待時間，是在多線程程式設計裡常用的方法。

4．優先級

    它存放在結構sched_param中。用函數pthread_attr_getschedparam和函數 pthread_attr_setschedparam進行存放，一般說來，我們總是先取優先級，對取得的值修改後再存放回去。下面即是一段簡單的例子。

pthread_attr_t attr; pthread_t tid;

sched_param param;

int newprio=20;

/*初始化屬性*/

/*設定優先級*/

pthread_attr_getschedparam(&attr, &param);  

param.sched_priority=newprio;

pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);

pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);

二．線程資料處理

和程序相比，線程的最大優點之一是資料的共享性，各個程序共享父程序處沿襲的資料段，可以友善的獲得、修改資料。但這也給多線程程式設計帶來了許多問題。我們必須當心有多個不同的程序通路相同的變量。許多函數是不可重入的，即同時不能運作一個函數的多個拷貝（除非使用不同的資料段）。在函數中聲明的靜态變量常常帶來問題，函數的傳回值也會有問題。因為如果傳回的是函數内部靜态聲明的空間的位址，則在一個線程調用該函數得到位址後使用該位址指向的資料時，别的線程可能調用此函數并修改了這一段資料。在程序中共享的變量必須用關鍵字volatile來定義，這是為了防止編譯器在優化時（如gcc中使用-OX參數）改變它們的使用方式。為了保護變量，我們必須使用信号量、互斥等方法來保證我們對變量的正确使用。

1．線程資料

   在單線程的程式裡，有兩種基本的資料：全局變量和局部變量。但在多線程程式裡，還有第三種資料類型：線程資料（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局變量很象，線上程内部，各個函數可以象使用全局變量一樣調用它，但它對線程外部的其它線程是不可見的。例如我們常見的變量errno，它傳回标準的出錯資訊。它顯然不能是一個局部變量，幾乎每個函數都應該可以調用它；但它又不能是一個全局變量，否則在 A線程裡輸出的很可能是B線程的出錯資訊。要實作諸如此類的變量，我們就必須使用線程資料。我們為每個線程資料建立一個鍵，它和這個鍵相關聯，在各個線程裡，都使用這個鍵來指代線程資料，但在不同的線程裡，這個鍵代表的資料是不同的，在同一個線程裡，它代表同樣的資料内容。

　　和線程資料相關的函數主要有4個：建立一個鍵；為一個鍵指定線程資料；從一個鍵讀取線程資料；删除鍵。

　　建立鍵的函數原型為：

　　int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,void (*__destr_function) (void *)));                                                                                                                                                 第一個參數為指向一個鍵值的指針，第二個參數指明了一個destructor函數，如果這個參數不為空，那麼當每個線程結束時，系統将調用這個函數來釋放綁定在這個鍵上的記憶體塊。這個函數常和函數pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用，為了讓這個鍵隻被建立一次。函數pthread_once聲明一個初始化函數，第一次調用pthread_once時它執行這個函數，以後的調用将被它忽略。

int pthread_key_delete(pthread_key_t *key);

該函數用于删除一個由pthread_key_create 函數調用建立的鍵。調用成功傳回值為0，否則傳回錯誤代碼。

在下面的例子中，我們建立一個鍵，并将它和某個資料相關聯。我們要定義一個函數 createWindow，這個函數定義一個圖形視窗（資料類型為Fl_Window *，這是圖形界面開發工具FLTK中的資料類型）。由于各個線程都會調用這個函數，是以我們使用線程資料。

/* 聲明一個鍵*/

pthread_key_t myWinKey;

/* 函數 createWindow */

void createWindow ( void ) {

Fl_Window * win;

static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;

/* 調用函數createMyKey，建立鍵*/

pthread_once ( & once, createMyKey) ;

/*win指向一個建立立的視窗*/

win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");

/* 對此視窗作一些可能的設定工作，如大小、位置、名稱等*/

setWindow(win);

/* 将視窗指針值綁定在鍵myWinKey上*/

pthread_setpecific ( myWinKey, win);

}

/* 函數 createMyKey，建立一個鍵，并指定了destructor */

void createMyKey ( void ) {

pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);

/* 函數 freeWinKey，釋放空間*/

void freeWinKey ( Fl_Window * win){

delete win;

這樣，在不同的線程中調用函數createMyWin，都可以得到線上程内部均可見的視窗變量，這個變量通過函數 pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我們已經使用了函數pthread_setspecific來将線程資料和一個鍵綁定在一起。這兩個函數的原型如下：

　　

int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer)); 該函數設定一個線程專有資料的值，賦給由pthread_key_create 建立的鍵，調用成功傳回值為0，否則傳回錯誤代碼。

void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));                                                  該函數獲得綁定到指定鍵上的值。調用成功，傳回給定參數key 所對應的資料。如果沒有資料連接配接到該鍵，則傳回NULL。

　　這兩個函數的參數意義和使用方法是顯而易見的。要注意的是，用pthread_setspecific為一個鍵指定新的線程資料時，必須自己釋放原有的線程資料以回收空間。這個過程函數pthread_key_delete用來删除一個鍵，這個鍵占用的記憶體将被釋放，但同樣要注意的是，它隻釋放鍵占用的記憶體，并不釋放該鍵關聯的線程資料所占用的記憶體資源，而且它也不會觸發函數pthread_key_create中定義的destructor函數。線程資料的釋放必須在釋放鍵之前完成。

2．互斥鎖

  假設各個現成向同一個檔案順序寫入資料，最後得到的結果是不可想象的。是以用互斥鎖來保證一段時間内隻有一個線程在執行一段代碼。

  使用int pthread_mutex_lock鎖住互斥鎖，使用int pthread_mutex_unlock解瑣。

如果我們試圖為一個已被其他線程鎖住的互斥鎖加鎖，程式便會阻塞直到該互斥對象解鎖。

如果在共享記憶體中配置設定一個互斥鎖，我們必須在運作時調用ptgread_mutex_init函數盡心初始化。

void reader_function ( void );

void writer_function ( void );

char buffer;

int buffer_has_item=0;

pthread_mutex_t mutex;

struct timespec delay;

void main ( void ){

pthread_t reader;

/* 定義延遲時間*/

delay.tv_sec = 2;

delay.tv_nec = 0;

/* 用預設屬性初始化一個互斥鎖對象*/

pthread_mutex_init (&mutex,NULL);

pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);

writer_function( );

void writer_function (void){

while(1){

/* 鎖定互斥鎖*/

pthread_mutex_lock (&mutex);

if (buffer_has_item==0){

buffer=make_new_item( );

buffer_has_item=1;

/* 打開互斥鎖*/

pthread_mutex_unlock(&mutex);

pthread_delay_np(&delay);

void reader_function(void){

pthread_mutex_lock(&mutex);

if(buffer_has_item==1){

consume_item(buffer);

buffer_has_item=0;

函數 pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL參數表明使用預設屬性。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調用函數 pthread_mutexattr_init。函數pthread_mutexattr_setpshared和函數 pthread_mutexattr_settype用來設定互斥鎖屬性。前一個函數設定屬性pshared，它有兩個取值， PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來不同程序中的線程同步，後者用于同步本程序的不同線程。在上面的例子中，我們使用的是預設屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。後者用來設定互斥鎖類型，可選的類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它們分别定義了不同的上所、解鎖機制，一般情況下，選用最後一個預設屬性。

需要注意的是在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現死鎖：兩個線程試圖同時占用兩個資源，并按不同的次序鎖定相應的互斥鎖，例如兩個線程都需要鎖定互斥鎖1和互斥鎖2，a線程先鎖定互斥鎖1，b線程先鎖定互斥鎖2，這時就出現了死鎖。此時我們可以使用函數 pthread_mutex_trylock，它是函數pthread_mutex_lock的非阻塞版本，當它發現死鎖不可避免時，它會傳回相應的資訊，程式員可以針對死鎖做出相應的處理。另外不同的互斥鎖類型對死鎖的處理不一樣，但最主要的還是要程式員自己在程式設計注意這一點。

3．條件變量

互斥鎖一個明顯的缺點是它隻有兩種狀态：鎖定和非鎖定。而條件變量通過允許線程阻塞和等待另一個線程發送信号的方法彌補了互斥鎖的不足，它常和互斥鎖一起使用。使用時，條件變量被用來阻塞一個線程，當條件不滿足時，線程往往解開相應的互斥鎖并等待條件發生變化。一旦其它的某個線程改變了條件變量，它将通知相應的條件變量喚醒一個或多個正被此條件變量阻塞的線程。這些線程将重新鎖定互斥鎖并重新測試條件是否滿足。一般說來，條件變量被用來進行線承間的同步。

條件變量的結構為pthread_cond_t，函數pthread_cond_init（）被用來初始化一個條件變量。它的原型為：

int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));

其中cond是一個指向結構pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個指向結構pthread_condattr_t的指針。結構 pthread_condattr_t是條件變量的屬性結構，和互斥鎖一樣我們可以用它來設定條件變量是程序内可用還是程序間可用，預設值是 PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此條件變量被同一程序内的各個線程使用。注意初始化條件變量隻有未被使用時才能重新初始化或被釋放。

在pthread中，條件變量是一個pthread_cond_t類型的變量，條件變量使用下面兩個函數：

pthread_cond_wait函數用于阻塞，線程可以被函數pthread_cond_signal和函數    pthread_cond_broadcast喚醒，但是要注意的是，條件變量隻是起阻塞和喚醒線程的作用，具體的判斷條件還需使用者給出，例如一個變量是否為0等等，這一點我們從後面的例子中可以看到。線程被喚醒後，它将重新檢查判斷條件是否滿足，如果還不滿足，一般說來線程應該仍阻塞在這裡，被等待被下一次喚醒。這個過程一般用while語句實作。

另一個用來阻塞線程的函數是pthread_cond_timedwait（）它比函數pthread_cond_wait（）多了一個時間參數，經曆abstime段時間後，即使條件變量不滿足，阻塞也被解除。

函數pthread_cond_signal（）用來釋放被阻塞在條件變量cond上的一個線程。

函數pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用來喚醒所有被阻塞在條件變量cond上的線程。這些線程被喚醒後将再次競争相應的互斥鎖，是以必須小心使用這個函數。

下面是使用函數pthread_cond_wait（）和函數pthread_cond_signal（）的一個簡單的例子:

pthread_mutex_t count_lock;

pthread_cond_t count_nonzero;

unsigned count;

decrement_count　() {

pthread_mutex_lock (&count_lock);

while(count==0)

pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);

count=count -1;

pthread_mutex_unlock (&count_lock);

increment_count(){

pthread_mutex_lock(&count_lock);

if(count==0)

pthread_cond_signal(&count_nonzero);

count=count+1;

pthread_mutex_unlock(&count_lock);

count值為0時， decrement函數在pthread_cond_wait處被阻塞，并打開互斥鎖count_lock。此時，當調用到函數 increment_count時，pthread_cond_signal（）函數改變條件變量，告知decrement_count（）停止阻塞。