linux多線程機制線程同步
1．引言
目前,許多流行的多任務操作系統都提供線程機制,線程就是程序中的 單個順序控制流。利用多線程進行程序設計,就是將一個程序(進程)的任務劃分為執行的多個部分(線程) ,每一個線程為一個順序的單控制流,而所有線程都是并發執行的,這樣,多線程程序就可以實現并行計算,高效利用多處理器。線程可分為用戶級線程和內核級線 程兩種基本類型。用戶級線程不需要內核支持,可以在用戶程序中實現,線程調度、同步與互斥都需要用戶程序自己完成。內核級線程需要內核參與,由內核完成線 程調度并提供相應的系統調用,用戶程序可以通過這些接口函數對線程進行一定的控制和管理。Linux操作系統提供了LinuxThreads庫，它是符合POSIX1003.1c標準的內核級多線程函數庫。在linuxthreads庫中提供了一些多線程編程的關鍵函數，在多線程編程時應包括pthread.h文件。
2.LinuxThread中的關鍵庫函數
2.1線程的創建和終止
int pthread_create(pthread_t * pthread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine(*void)),void *arg);調用此函數可以創建一個新的線程，新線程創建后執行start_routine 指定的程序。其中參數attr是用戶希望創建線程的屬性，當為NULL時表示以默認的屬性創建線程。arg是向start_routine 傳遞的參數。當成功創建一個新的線程時，系統會自動為新線程分配一個線程ID號，并通過pthread 返回給調用者。
void pthread_exit(void *value_ptr);調用該函數可以退出線程，參數value_ptr是一個指向返回狀態值的指針。
2.2線程控制函數
pthread_self(void);為了區分線程，在線程創建時系統為其分配一個唯一的ID號，由pthread_create()返回給調用者，也可以通過pthread_self()獲取自己的線程ID。
Int pthread_join (pthread- t thread , void * *status);這個函數的作用是等待一個線程的結束。調用pthread_join()的線程將被掛起直到線程ID為參數thread 指定的線程終止。
int pthread_detach(pthread_t pthread);參數pthread代表的線程一旦終止，立即釋放調該線程占有的所有資源。
2.3線程間的互斥
互斥量和臨界區類似，只有擁有互斥量的線程才具有訪問資源的權限， 由于互斥對象只有一個，這就決定了任何情況下共享資源（代碼或變量）都不會被多個線程同時訪問。使用互斥不僅能夠在同一應用程序的不同線程中實現資源的安 全共享，而且可以在不同應用程序的線程之間實現對資源的安全共享。Linux中通過pthread_mutex_t來定義互斥體機制完成互斥操作。具體的操作函數如下
pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);初使化一個互斥體變量mutex，參數attr表示按照attr屬性創建互斥體變量mutex，如果參數attr為NULL，則以默認的方式創建。
pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);給一個互斥體變量上鎖，如果mutex指定的互斥體已經被鎖住，則調用線程將被阻塞直到擁有mutex的線程對mutex解鎖為止。
Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);對參數mutex指定的互斥體變量解鎖。
2.4線程間的同步
同步就是線程等待某一個事件的發生，當等待的事件發生時，被等待的線程和事件一起繼續執行。如果等待的事件未到達則掛起。在linux操作系統中是通過條件變量來實現同步的。
Pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,const pthread_cond_t *attr);這個函數按參數attr指定的屬性初使化一個條件變量cond。
Pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);等待一個事件（條件變量）的發生，發出調用的線程自動阻塞，直到相應的條件變量被置1。等待狀態的線程不占用CPU時間。
pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);解除一個等待參數cond指定的條件變量的線程的阻塞狀態。
3．多線程編程的應用實例
在這里利用多線程技術實現生產者和消費者問題，生產者線程向一緩沖區中寫數據， 消費者線程從緩沖區中讀取數據，由于生產者線程和消費者線程共享同一緩沖區，為了正確讀寫數據，在使用緩沖隊列時必須保持互斥。生產者線程和消費者線程必 須滿足：生產者寫入緩沖區的數目不能超過緩沖區容量，消費者讀取的數目不能超過生產者寫入的數目。在程序中使用了一個小技巧來判斷緩沖區是空還是滿。在初 始化時讀指針和寫指針為0;如果讀指針等于寫指針,則緩沖區是空的;如果(寫指針+ 1) % N 等于讀指針,則緩沖區是滿的,%表示取余數,這時實際上有一個單元空出未用。下面是完整的程序段和注釋。
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#define BUFFER_SIZE 8
struct prodcons {
int buffer[BUFFER_SIZE];
pthread_mutex_t lock; //互斥LOCK
int readpos , writepos;
pthread_cond_t notempty; //緩沖區非空條件判斷
pthread_cond_t notfull; //緩沖區未滿條件判斷
};
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，生產者負責將1到1000的整數寫入緩沖區，而消費者負責從同一個緩沖區中讀取寫入的整數并打印出來。因為生產者和消費者是兩個同時運行的線 程，并且要使用同一個緩沖區進行數據交換，因此必須利用一種機制進行同步。通過上面的例子我們可以看到，多線程的最大好處是，除堆棧之外，幾乎所有的數據 均是共享的，因此線程間的通訊效率很高；缺點：因為共享所有數據，從而非常容易導致線程之間互相破壞數據，這一點在編程時必須注意。
4.結束語
Linux中基于POSIX標準的很好的支持了多線程技術，它減少了程序并發執行時的系統開銷,提高了計算機的工作效率。在具體編程過程中要了解線程的間的關系,還要考慮共享數據的保護,在互斥和同步機制下保證代碼的高效運行，程序編譯時用gcc -D –REENTRANT -libpthread.xx.so filename.c編譯。
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