引入： 在傳統的Unix模型中，當一個程序需要由另一個實體執行某件事時，該程序派生（fork）一個子程序，讓子程序去進行處理。Unix下的大多數網絡伺服器程式都是這麼編寫的，即父程序接受連接配接，派生子程序，子程序處理與客戶的互動。 雖然這種模型很多年來使用得很好，但是fork時有一些問題：
- fork是昂貴的。記憶體映像要從父程序拷貝到子程序，所有描述字要在子程序中複制等等。目前有的Unix實作使用一種叫做寫時拷貝（copy－on－write）的技術，可避免父程序資料空間向子程序的拷貝。盡管有這種優化技術，fork仍然是昂貴的。
- 2. fork子程序後，需要用程序間通信（IPC）在父子程序之間傳遞資訊。Fork之前的資訊容易傳遞，因為子程序從一開始就有父程序資料空間及所有描述字的拷貝。但是從子程序傳回資訊給父程序需要做更多的工作。
線程有助于解決這兩個問題。線程有時被稱為輕權程序（lightweight process），因為線程比程序“輕權”，一般來說，建立一個線程要比建立一個程序快10～100倍。 一個程序中的所有線程共享相同的全局記憶體，這使得線程很容易共享資訊，但是這種簡易性也帶來了同步問題。 一個程序中的所有線程不僅共享全局變量，而且共享：程序指令、大多數資料、打開的檔案（如描述字）、信号處理程式和信号處置、目前工作目錄、使用者ID群組ID。但是每個線程有自己的線程ID、寄存器集合（包括程式計數器和棧指針）、棧（用于存放局部變量和傳回位址）、error、信号掩碼、優先級。在Linux中線程程式設計符合Posix.1标準，稱為Pthreads。所有的pthread函數都以pthread_開頭。在調用它們前均要包括pthread.h頭檔案，一個函數庫libpthread實作。
1.線程基礎介紹：
- 資料結構：
pthread_t:線程的ID
pthread_attr_t:線程的屬性 - 操作函數：
pthread_create()：建立一個線程
pthread_exit()：終止目前線程
pthread_cancel()：中斷另外一個線程的運作
pthread_join()：阻塞目前的線程，直到另外一個線程運作結束
pthread_attr_init()：初始化線程的屬性
pthread_attr_setdetachstate()：設定脫離狀态的屬性（決定這個線程在終止時是否可以被結合）
pthread_attr_getdetachstate()：擷取脫離狀态的屬性
pthread_attr_destroy()：删除線程的屬性
pthread_kill()：向線程發送一個信号
- 同步函數：
用于 mutex 和條件變量
pthread_mutex_init()初始化互斥鎖
pthread_mutex_destroy()删除互斥鎖
pthread_mutex_lock()：占有互斥鎖（阻塞操作）
pthread_mutex_trylock()：試圖占有互斥鎖（不阻塞操作）。即，當互斥鎖空閑時，将占有該鎖；否則，立即傳回。
pthread_mutex_unlock():釋放互斥鎖
pthread_cond_init()：初始化條件變量
pthread_cond_destroy()：銷毀條件變量
pthread_cond_signal():喚醒第一個調用pthread_cond_wait()而進入睡眠的線程
pthread_cond_wait():等待條件變量的特殊條件發生
Thread-local storage（或者以Pthreads術語，稱作線程特有資料）：
pthread_key_create():配置設定用于辨別程序中線程特定資料的鍵
pthread_setspecific():為指定線程特定資料鍵設定線程特定綁定
pthread_getspecific():擷取調用線程的鍵綁定，并将該綁定存儲在 value 指向的位置中
pthread_key_delete():銷毀現有線程特定資料鍵
pthread_attr_getschedparam();擷取線程優先級
pthread_attr_setschedparam();設定線程優先級 2.概念：
線程的組成部分： Thread ID 線程ID Stack 棧 Policy 優先級 Signal mask 信号碼 Errno 錯誤碼 Thread-Specific Data 特殊資料
3.線程定義
1） pthread_t pthread_ID ,用于辨別一個線程，不能單純看成整數，可能是結構體，與實作有關 2） pthread_equal函數用于比較兩個pthread_t是否相等
＃include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tid1,pthread_t tid2)
3）pthread_self函數用于獲得本線程的thread id
＃include <pthread.h>
pthread _t pthread_self(void);
4.線程的建立
1） 建立線程調用pthread_create函數：
1 ＃include <pthread.h>
2
3 int pthread_create(
4 pthread_t*restrict tidp,
5 constpthread_attr_t*restrict attr,
6 void*(*start_rtn)(void*),void*restrict arg); 參數說明：
- pthread_t *restrict tidp：傳回最後建立出來的Thread的Thread ID
- const pthread_attr_t *restrict attr：指定線程的Attributes，後面會講道，現在可以用NULL
- void *(*start_rtn)(void *)：指定線程函數指針，該函數傳回一個void *，參數也為void*
- void *restrict arg：傳入給線程函數的參數
- 傳回錯誤值。
一個程序中的每個線程都由一個線程ID（thread ID）辨別，其資料類型是pthread_t（常常是unsigned int）。如果新的線程建立成功，其ID将通過tid指針傳回。 每個線程都有很多屬性：優先級、起始棧大小、是否應該是一個守護線程等等，當建立線程時，我們可通過初始化一個pthread_attr_t變量說明這些屬性以覆寫預設值。我們通常使用預設值，在這種情況下，我們将attr參數說明為空指針。 最後，當建立一個線程時，我們要說明一個它将執行的函數。線程以調用該函數開始，然後或者顯式地終止（調用pthread_exit）或者隐式地終止（讓該函數傳回）。函數的位址由func參數指定，該函數的調用參數是一個指針arg，如果我們需要多個調用參數，我們必須将它們打包成一個結構，然後将其位址當作唯一的參數傳遞給起始函數。 在func和arg的聲明中，func函數取一個通用指針（void ＊）參數，并傳回一個通用指針（void ＊），這就使得我們可以傳遞一個指針（指向任何我們想要指向的東西）給線程，由線程傳回一個指針（同樣指向任何我們想要指向的東西）。調用成功，傳回0，出錯時傳回正Exxx值。 2） pthread函數在出錯的時候不會設定errno，而是直接傳回錯誤值 3） 在Linux 系統下面，在老的核心中，由于Thread也被看作是一種特殊，可共享位址空間和資源的Process，是以在同一個Process中建立的不同 Thread具有不同的Process ID（調用getpid獲得）。而在新的2.6核心之中，Linux采用了NPTL(Native POSIX Thread Library)線程模型（可以參考http://en.wikipedia.org/wiki/Native_POSIX_Thread_Library和http://www-128.ibm.com/developerworks/linux/library/l-threading.html?ca=dgr-lnxw07LinuxThreadsAndNPTL），在該線程模型下同一程序下不同線程調用getpid傳回同一個PID。 4） 不能對建立的新線程和目前建立者線程的運作順序作出任何假設
5.線程的退出
- exit, _Exit, _exit用于中止目前程序，而非線程
- 中止線程可以有三種方式：
a. 線上程函數中return
b. 被同一程序中的另外的線程Cancel掉 c. 線程調用pthread_exit函數
- pthread_exit和pthread_join函數的用法：
a. 線程A調用pthread_join(B, &rval_ptr)，被Block，進入Detached狀态（如果已經進入Detached狀态，則pthread_join函數傳回EINVAL）。如果對B的結束代碼不感興趣，rval_ptr可以傳NULL。 b. 線程B調用pthread_exit(rval_ptr)，退出線程B，結束代碼為rval_ptr。注意rval_ptr指向的記憶體的生命周期，不應該指向B的Stack中的資料。 c. 線程A恢複運作，pthread_join函數調用結束，線程B的結束代碼被儲存到rval_ptr參數中去。如果線程B被Cancel，那麼rval_ptr的值就是PTHREAD_CANCELLED。 兩個函數原型如下：
＃include <pthread.h>
void pthread_exit(void*rval_ptr);
int pthread_join(pthread_t thread,void**rval_ptr); 該函數等待一個線程終止。把線程和程序相比，pthread_creat類似于fork，而 pthread_join類似于waitpid。我們必須要等待線程的tid，很可惜，我們沒有辦法等待任意一個線程結束。如果status指針非空，線程的傳回值（一個指向某個對象的指針）将存放在status指向的位置。
- 一個Thread可以要求另外一個Thread被Cancel，通過調用pthread_cancel函數：
＃include <pthread.h>
void pthread_cancel(pthread_t tid) 該函數會使指定線程如同調用了pthread_exit(PTHREAD_CANCELLED)。不過，指定線程可以選擇忽略或者進行自己的處理，在後面會講到。此外，該函數不會導緻Block，隻是發送Cancel這個請求。
- 線程可以安排在它退出的時候，某些函數自動被調用，類似atexit()函數。需要調用如下函數：
＃include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void(*rtn)(void*),void*arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute); 這兩個函數維護一個函數指針的Stack，可以把函數指針和函數參數值push/pop。執行的順序則是從棧頂到棧底，也就是和push的順序相反。 在下面情況下pthread_cleanup_push所指定的thread cleanup handlers會被調用： a. 調用pthread_exit b. 相應cancel請求 c. 以非0參數調用pthread_cleanup_pop()。（如果以0調用pthread_cleanup_pop()，那麼handler不會被調用 有一個比較怪異的要求是，由于這兩個函數可能由宏的方式來實作，是以這兩個函數的調用必須得是在同一個Scope之中，并且配對，因為在pthread_cleanup_push的實作中可能有一個{，而 pthread_cleanup_pop可能有一個}。是以，一般情況下，這兩個函數是用于處理意外情況用的，舉例如下：
void*thread_func(void*arg)
{
pthread_cleanup_push(cleanup,“handler”)
// do something
Pthread_cleanup_pop(0);
return((void*)0)；
} - 程序函數和線程函數的相關性：
| Process Primitive | Thread Primitive | Description |
| fork | pthread_create | 建立新的控制流 |
| exit | pthread_exit | 退出已有的控制流 |
| waitpid | pthread_join | 等待控制流并獲得結束代碼 |
| atexit | pthread_cleanup_push | 注冊在控制流退出時候被調用的函數 |
| getpid | pthread_self | 獲得控制流的id |
| abort | pthread_cancel | 請求非正常退出 |
- 預設情況下，一個線程A的結束狀态被儲存下來直到pthread_join為該線程被調用過，也就是說即使線程A已經結束，隻要沒有線程B調用 pthread_join(A)，A的退出狀态則一直被儲存。而當線程處于Detached狀态之時，當線程退出的時候，其資源可以立刻被回收，那麼這個退出狀态也丢失了。在這個狀态下，無法為該線程調用pthread_join函數。我們可以通過調用pthread_detach函數來使指定線程進入 Detach狀态：
＃include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid); 通過修改調用pthread_create函數的attr參數，我們可以指定一個線程在建立之後立刻就進入Detached狀态
6.線程同步
- 互斥量：Mutex
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。 a. 用于互斥通路 b. 類型：pthread_mutex_t，必須被初始化為PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER （用于靜态配置設定的mutex，等價于 pthread_mutex_init(…, NULL)）或者調用pthread_mutex_init。Mutex也應該用pthread_mutex_destroy來銷毀。這兩個函數原型如下：（attr的具體含義下一章讨論）
＃include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(
pthread_mutex_t*restrict mutex,
constpthread_mutexattr_t*restrict attr)
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex); c. pthread_mutex_lock 用于Lock Mutex，如果Mutex已經被Lock，該函數調用會Block直到Mutex被Unlock，然後該函數會Lock Mutex并傳回。pthread_mutex_trylock類似，隻是當Mutex被Lock的時候不會Block，而是傳回一個錯誤值EBUSY。 pthread_mutex_unlock則是unlock一個mutex。這三個函數原型如下：
＃include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t*mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex); d. 舉例說明
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){
while(1){
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(buffer_has_item==1){
consume_item(buffer);
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
} 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
- 讀寫鎖：Reader-Writer Locks
a. 多個線程可以同時獲得讀鎖(Reader-Writer lock in read mode)，但是隻有一個線程能夠獲得寫鎖(Reader-writer lock in write mode) b. 讀寫鎖有三種狀态 i. 一個或者多個線程獲得讀鎖，其他線程無法獲得寫鎖 ii. 一個線程獲得寫鎖，其他線程無法獲得讀鎖 iii. 沒有線程獲得此讀寫鎖 c. 類型為pthread_rwlock_t d. 建立和關閉方法如下：
＃include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(
pthread_rwlock_t*restrict rwlock,
constpthread_rwlockattr_t*restrict attr)
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t*rwlock); e. 獲得讀寫鎖的方法如下：
＃include <pthread.h>
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);
pthread_rwlock_rdlock：獲得讀鎖 pthread_rwlock_wrlock：獲得寫鎖 pthread_rwlock_unlock：釋放鎖，不管是讀鎖還是寫鎖都是調用此函數 注意具體實作可能對同時獲得讀鎖的線程個數有限制，是以在調用 pthread_rwlock_rdlock的時候需要檢查錯誤值，而另外兩個pthread_rwlock_wrlock和 pthread_rwlock_unlock則一般不用檢查，如果我們代碼寫的正确的話。
- Conditional Variable：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程間的同步。 a. 條件必須被Mutex保護起來 b. 類型為：pthread_cond_t，必須被初始化為PTHREAD_COND_INITIALIZER（用于靜态配置設定的條件，等價于pthread_cond_init(…, NULL)）或者調用pthread_cond_init
＃include <pthread.h>
int pthread_cond_init(
pthread_cond_t*restrict cond,
constpthread_condxattr_t*restrict attr)
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond); c. pthread_cond_wait 函數用于等待條件發生（=true）。pthread_cond_timedwait類似，隻是當等待逾時的時候傳回一個錯誤值ETIMEDOUT。逾時的時間用timespec結構指定。此外，兩個函數都需要傳入一個Mutex用于保護條件
＃include <pthread.h>
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,
conststruct timespec *restrict timeout); 一個簡單例子：
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。 d. timespec結構定義如下：
struct timespec {
time_t tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec; /* nanoseconds */
}; 注意timespec的時間是絕對時間而非相對時間，是以需要先調用gettimeofday函數獲得目前時間，再轉換成timespec結構，加上偏移量。 e. 有兩個函數用于通知線程條件被滿足（=true）：
＃include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond); 兩者的差別是前者會喚醒單個線程，而後者會喚醒多個線程。
7.線程屬性
- 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。
- 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。
＃include <pthread.h>
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); - 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）或 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。
＃include <pthread.h>
＃include <sched.h>
pthread_attr_t attr;pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;
/*初始化屬性*/
pthread_attr_init(&attr);
/*設定優先級*/
pthread_attr_getschedparam(&attr,¶m);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr,¶m);
pthread_create(&tid,&attr,(void*)myfunction, myarg); 8.具體 使用：
參考文檔： http://baike.baidu.com/link?url=ScKRuE9PA7Ad0hH5WomVLZPbu6y0otJrVwwi_I_I-DfGAMgkpj8lm7wQPqpxDMacpJmK7ydrn3N-OLaVplIhSK http://blog.csdn.net/ithomer/article/details/5921003
轉載于:https://www.cnblogs.com/Stultz-Lee/p/6702922.html
![計算機開路人阿蘭·圖靈[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)