POSIX的名詞解釋 2

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級别： 初級

Daniel Robbins ([email protected]), 總裁/CEO, Gentoo Technologies, Inc.

2000 年 7 月 01 日

POSIX 線程詳解

POSIX（可移植作業系統接口）線程是提高代碼響應和性能的有力手段。在本系列中，Daniel Robbins 向您精确地展示在程式設計中如何使用線程。其中還涉及大量幕後細節，讀完本系列文章，您完全可以運用 POSIX 線程建立多線程程式。

線程是有趣的

了解如何正确運用線程是每一個優秀程式員必備的素質。線程類似于程序。如同程序，線程由核心按時間分片進行管理。在單處理器系統中，核心使用時間分片來模拟線程的并發執行，這種方式和程序的相同。而在多處理器系統中，如同多個程序，線程實際上一樣可以并發執行。

那麼為什麼對于大多數合作性任務，多線程比多個獨立的程序更優越呢？這是因為，線程共享相同的記憶體空間。不同的線程可以存取記憶體中的同一個變量。是以，程式中的所有線程都可以讀或寫聲明過的全局變量。如果曾用 fork() 編寫過重要代碼，就會認識到這個工具的重要性。為什麼呢？雖然 fork() 允許建立多個程序，但它還會帶來以下通信問題: 如何讓多個程序互相通信，這裡每個程序都有各自獨立的記憶體空間。對這個問題沒有一個簡單的答案。雖然有許多不同種類的本地 IPC (程序間通信），但它們都遇到兩個重要障礙：

• 強加了某種形式的額外核心開銷，進而降低性能。
• 對于大多數情形，IPC 不是對于代碼的“自然”擴充。通常極大地增加了程式的複雜性。

雙重壞事: 開銷和複雜性都非好事。如果曾經為了支援 IPC 而對程式大動幹戈過，那麼您就會真正欣賞線程提供的簡單共享記憶體機制。由于所有的線程都駐留在同一記憶體空間，POSIX 線程無需進行開銷大而複雜的長距離調用。隻要利用簡單的同步機制，程式中所有的線程都可以讀取和修改已有的資料結構。而無需将資料經由檔案描述符轉儲或擠入緊窄的共享記憶體空間。僅此一個原因，就足以讓您考慮應該采用單程序/多線程模式而非多程序/單線程模式。

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線程是快捷的

不僅如此。線程同樣還是非常快捷的。與标準 fork() 相比，線程帶來的開銷很小。核心無需單獨複制程序的記憶體空間或檔案描述符等等。這就節省了大量的 CPU 時間，使得線程建立比新程序建立快上十到一百倍。因為這一點，可以大量使用線程而無需太過于擔心帶來的 CPU 或記憶體不足。使用 fork() 時導緻的大量 CPU 占用也不複存在。這表示隻要在程式中有意義，通常就可以建立線程。

當然，和程序一樣，線程将利用多 CPU。如果軟體是針對多處理器系統設計的，這就真的是一大特性（如果軟體是開放源碼，則最終可能在不少平台上運作）。特定類型線程程式（尤其是 CPU 密集型程式）的性能将随系統中處理器的數目幾乎線性地提高。如果正在編寫 CPU 非常密集型的程式，則絕對想設法在代碼中使用多線程。一旦掌握了線程編碼，無需使用繁瑣的 IPC 和其它複雜的通信機制，就能夠以全新和創造性的方法解決編碼難題。所有這些特性配合在一起使得多線程程式設計更有趣、快速和靈活。

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線程是可移植的

如果熟悉 Linux 程式設計，就有可能知道 __clone() 系統調用。__clone() 類似于 fork()，同時也有許多線程的特性。例如，使用 __clone()，新的子程序可以有選擇地共享父程序的執行環境（記憶體空間，檔案描述符等）。這是好的一面。但 __clone() 也有不足之處。正如__clone() 線上幫助指出：

“__clone 調用是特定于 Linux 平台的，不适用于實作可移植的程式。欲編寫線程化應用程式（多線程控制同一記憶體空間），最好使用實作 POSIX 1003.1c 線程 API 的庫，例如 Linux-Threads 庫。參閱 pthread_create(3thr)。”

雖然 __clone() 有線程的許多特性，但它是不可移植的。當然這并不意味着代碼中不能使用它。但在軟體中考慮使用 __clone() 時應當權衡這一事實。值得慶幸的是，正如 __clone() 線上幫助指出，有一種更好的替代方案：POSIX 線程。如果想編寫 可移植的 多線程代碼，代碼可運作于 Solaris、FreeBSD、Linux 和其它平台，POSIX 線程是一種當然之選。

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第一個線程

下面是一個 POSIX 線程的簡單示例程式：

thread1.c

#include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> void *thread_function(void *arg) { int i; for ( i=0; i<20; i++) { printf("Thread says hi!/n"); sleep(1); } return NULL; } int main(void) { pthread_t mythread; if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) { printf("error creating thread."); abort(); } if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) { printf("error joining thread."); abort(); } exit(0); }

要編譯這個程式，隻需先将程式存為 thread1.c，然後輸入：

$ gcc thread1.c -o thread1 -lpthread

運作則輸入：

$ ./thread1

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了解 thread1.c

thread1.c 是一個非常簡單的線程程式。雖然它沒有實作什麼有用的功能，但可以幫助了解線程的運作機制。下面，我們一步一步地了解這個程式是幹什麼的。main() 中聲明了變量 mythread，類型是 pthread_t。pthread_t 類型在 pthread.h 中定義，通常稱為“線程 id”（縮寫為 "tid"）。可以認為它是一種線程句柄。

mythread 聲明後（記住 mythread 隻是一個 "tid"，或是将要建立的線程的句柄），調用 pthread_create 函數建立一個真實活動的線程。不要因為 pthread_create() 在 "if" 語句内而受其迷惑。由于 pthread_create() 執行成功時傳回零而失敗時則傳回非零值，将 pthread_create() 函數調用放在 if() 語句中隻是為了友善地檢測失敗的調用。讓我們檢視一下 pthread_create 參數。第一個參數 &mythread 是指向 mythread 的指針。第二個參數目前為 NULL，可用來定義線程的某些屬性。由于預設的線程屬性是适用的，隻需将該參數設為 NULL。

第三個參數是新線程啟動時調用的函數名。本例中，函數名為 thread_function()。當 thread_function() 傳回時，新線程将終止。本例中，線程函數沒有實作大的功能。它僅将 "Thread says hi!" 輸出 20 次然後退出。注意 thread_function() 接受 void * 作為參數，同時傳回值的類型也是 void *。這表明可以用 void * 向新線程傳遞任意類型的資料，新線程完成時也可傳回任意類型的資料。那如何向線程傳遞一個任意參數？很簡單。隻要利用 pthread_create() 中的第四個參數。本例中，因為沒有必要将任何資料傳給微不足道的 thread_function()，是以将第四個參數設為 NULL。

您也許已推測到，在 pthread_create() 成功傳回之後，程式将包含兩個線程。等一等， 兩個 線程？我們不是隻建立了一個線程嗎？不錯，我們隻建立了一個程序。但是主程式同樣也是一個線程。可以這樣了解：如果編寫的程式根本沒有使用 POSIX 線程，則該程式是單線程的（這個單線程稱為“主”線程）。建立一個新線程之後程式總共就有兩個線程了。

我想此時您至少有兩個重要問題。第一個問題，新線程建立之後主線程如何運作。答案，主線程按順序繼續執行下一行程式（本例中執行 "if (pthread_join(...))"）。第二個問題，新線程結束時如何處理。答案，新線程先停止，然後作為其清理過程的一部分，等待與另一個線程合并或“連接配接”。

現在，來看一下 pthread_join()。正如 pthread_create() 将一個線程拆分為兩個， pthread_join() 将兩個線程合并為一個線程。pthread_join() 的第一個參數是 tid mythread。第二個參數是指向 void 指針的指針。如果 void 指針不為 NULL，pthread_join 将線程的 void * 傳回值放置在指定的位置上。由于我們不必理會 thread_function() 的傳回值，是以将其設為 NULL.

您會注意到 thread_function() 花了 20 秒才完成。在 thread_function() 結束很久之前，主線程就已經調用了 pthread_join()。如果發生這種情況，主線程将中斷（轉向睡眠）然後等待 thread_function() 完成。當 thread_function() 完成後, pthread_join() 将傳回。這時程式又隻有一個主線程。當程式退出時，所有新線程已經使用 pthread_join() 合并了。這就是應該如何處理在程式中建立的每個新線程的過程。如果沒有合并一個新線程，則它仍然對系統的最大線程數限制不利。這意味着如果未對線程做正确的清理，最終會導緻 pthread_create() 調用失敗。

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無父，無子

如果使用過 fork() 系統調用，可能熟悉父程序和子程序的概念。當用 fork() 建立另一個新程序時，新程序是子程序，原始程序是父程序。這建立了可能非常有用的層次關系，尤其是等待子程序終止時。例如，waitpid() 函數讓目前程序等待所有子程序終止。waitpid() 用來在父程序中實作簡單的清理過程。

而 POSIX 線程就更有意思。您可能已經注意到我一直有意避免使用“父線程”和“子線程”的說法。這是因為 POSIX 線程中不存在這種層次關系。雖然主線程可以建立一個新線程，新線程可以建立另一個新線程，POSIX 線程标準将它們視為等同的層次。是以等待子線程退出的概念在這裡沒有意義。POSIX 線程标準不記錄任何“家族”資訊。缺少家族資訊有一個主要含意：如果要等待一個線程終止，就必須将線程的 tid 傳遞給 pthread_join()。線程庫無法為您斷定 tid。

對大多數開發者來說這不是個好消息，因為這會使有多個線程的程式複雜化。不過不要為此擔憂。POSIX 線程标準提供了有效地管理多個線程所需要的所有工具。實際上，沒有父/子關系這一事實卻為在程式中使用線程開辟了更創造性的方法。例如，如果有一個線程稱為線程 1，線程 1 建立了稱為線程 2 的線程，則線程 1 自己沒有必要調用 pthread_join() 來合并線程 2，程式中其它任一線程都可以做到。當編寫大量使用線程的代碼時，這就可能允許發生有趣的事情。例如，可以建立一個包含所有已停止線程的全局“死線程清單”，然後讓一個專門的清理線程專等停止的線程加到清單中。這個清理線程調用 pthread_join() 将剛停止的線程與自己合并。現在，僅用一個線程就巧妙和有效地處理了全部清理。

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同步漫遊

現在我們來看一些代碼，這些代碼做了一些意想不到的事情。thread2.c 的代碼如下：

thread2.c

#include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int myglobal; void *thread_function(void *arg) { int i,j; for ( i=0; i<20; i++) { j=myglobal; j=j+1; printf("."); fflush(stdout); sleep(1); myglobal=j; } return NULL; } int main(void) { pthread_t mythread; int i; if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) { printf("error creating thread."); abort(); } for ( i=0; i<20; i++) { myglobal=myglobal+1; printf("o"); fflush(stdout); sleep(1); } if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) { printf("error joining thread."); abort(); } printf("/nmyglobal equals %d/n",myglobal); exit(0); }

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了解 thread2.c

如同第一個程式，這個程式建立一個新線程。主線程和新線程都将全局變量 myglobal 加一 20 次。但是程式本身産生了某些意想不到的結果。編譯代碼請輸入：

$ gcc thread2.c -o thread2 -lpthread

運作請輸入：

$ ./thread2

輸出：

$ ./thread2 ..o.o.o.o.oo.o.o.o.o.o.o.o.o.o..o.o.o.o.o myglobal equals 21

非常意外吧！因為 myglobal 從零開始，主線程和新線程各自對其進行了 20 次加一, 程式結束時 myglobal 值應當等于 40。由于 myglobal 輸出結果為 21，這其中肯定有問題。但是究竟是什麼呢？

放棄嗎？好，讓我來解釋是怎麼一回事。首先檢視函數 thread_function()。注意如何将 myglobal 複制到局部變量 "j" 了嗎? 接着将 j 加一, 再睡眠一秒，然後到這時才将新的 j 值複制到 myglobal？這就是關鍵所在。設想一下，如果主線程就在新線程将 myglobal 值複制給 j 後 立即将 myglobal 加一，會發生什麼？當 thread_function() 将 j 的值寫回 myglobal 時，就覆寫了主線程所做的修改。

當編寫線程程式時，應避免産生這種無用的副作用，否則隻會浪費時間（當然，除了編寫關于 POSIX 線程的文章時有用）。那麼，如何才能排除這種問題呢？

由于是将 myglobal 複制給 j 并且等了一秒之後才寫回時産生問題，可以嘗試避免使用臨時局部變量并直接将 myglobal 加一。雖然這種解決方案對這個特定例子适用，但它還是不正确。如果我們對 myglobal 進行相對複雜的數學運算，而不是簡單的加一，這種方法就會失效。但是為什麼呢？

要了解這個問題，必須記住線程是并發運作的。即使在單處理器系統上運作（核心利用時間分片模拟多任務）也是可以的，從程式員的角度，想像兩個線程是同時執行的。thread2.c 出現問題是因為 thread_function() 依賴以下論據：在 myglobal 加一之前的大約一秒鐘期間不會修改 myglobal。需要有些途徑讓一個線程在對 myglobal 做更改時通知其它線程“不要靠近”。我将在下一篇文章中講解如何做到這一點。到時候見。

參考資料

• 參閱 Linux threads中的文檔，Sean Walton, KB7rfa
• 在 An Introduction to Pthreads-Tcl 中，檢視對 Tcl 的更改以使其能夠使用 POSIX 線程
• 使用友好的 Linux pthread 線上幫助 ("man -k pthread")
• 參考 POSIX and DCE threads for Linux首頁
• 檢視 The LinuxThreads Library
• Proolix ，一種簡單遵從 POSIX 标準的作業系統，用于 i8086+，一直在開發中
• 閱讀 David R. Butenhof 的著作 Programming with POSIX Threads，書中讨論了許多問題，其中談到不使用互斥對象是可能出現的種種情況

關于作者

	Daniel Robbins 居住在新墨西哥州的 Albuquerque。他是 Gentoo Technologies, Inc. 的總裁兼 CEO， Gentoo 項目的總設計師，多本 MacMillan 出版書籍的作者，包括： Caldera OpenLinux Unleashed、 SuSE Linux Unleashed和 Samba Unleashed 。Daniel 自國小二年級起就與計算機結下不解之緣，那時他首先接觸的是 Logo 程式語言，并沉溺于 Pac-Man 遊戲中。這也許就是他至今仍擔任 SONY Electronic Publishing/Psygnosis 的首席圖形設計師的原因所在。Daniel 喜歡與妻子 Mary 和剛出生的女兒 Hadassah 一起共渡時光。可通過 [email protected] 與 Daniel Robbins 取得聯系。