轉自：
Daniel Robbins ([email protected]), 總裁/CEO, Gentoo Technologies, Inc.
2000 年 7 月 01 日
POSIX（可移植操作系統接口）線程是提高代碼響應和性能的有力手段。在本系列中，Daniel Robbins 向您精確地展示在編程中如何使用線程。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 線程創建多線程程序。
瞭解如何正確運用線程是每一個優秀程序員必備的素質。線程類似於進程。如同進程，線程由內核按時間分片進行管理。在單處理器系統中，內核使用時間分片來模擬線程的併發執行，這種方式和進程的相同。而在多處理器系統中，如同多個進程，線程實際上一樣可以併發執行。
那麼爲什麼對於大多數合作性任務，多線程比多個獨立的進程更優越呢？這是因爲，線程共享相同的內存空間。不同的線程可以存取內存中的同一個變量。所以，程序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。爲什麼呢？雖然 fork() 允許創建多個進程，但它還會帶來以下通信問題: 如何讓多個進程相互通信，這裏每個進程都有各自獨立的內存空間。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 (進程間通信），但它們都遇到兩個重要障礙：
- 強加了某種形式的額外內核開銷，從而降低性能。
- 對於大多數情形，IPC 不是對於代碼的“自然”擴展。通常極大地增加了程序的複雜性。
雙重壞事: 開銷和複雜性都非好事。如果曾經爲了支持 IPC 而對程序大動干戈過，那麼您就會真正欣賞線程提供的簡單共享內存機制。由於所有的線程都駐留在同一內存空間，POSIX 線程無需進行開銷大而複雜的長距離調用。只要利用簡單的同步機制，程序中所有的線程都可以讀取和修改已有的數據結構。而無需將數據經由文件描述符轉儲或擠入緊窄的共享內存空間。僅此一個原因，就足以讓您考慮應該採用單進程/多線程模式而非多進程/單線程模式。
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不僅如此。線程同樣還是非常快捷的。與標準 fork() 相比，線程帶來的開銷很小。內核無需單獨複製進程的內存空間或文件描述符等等。這就節省了大量的 CPU 時間，使得線程創建比新進程創建快上十到一百倍。因爲這一點，可以大量使用線程而無需太過於擔心帶來的 CPU 或內存不足。使用 fork() 時導致的大量 CPU 佔用也不復存在。這表示只要在程序中有意義，通常就可以創建線程。
當然，和進程一樣，線程將利用多 CPU。如果軟件是針對多處理器系統設計的，這就真的是一大特性（如果軟件是開放源碼，則最終可能在不少平臺上運行）。特定類型線程程序（尤其是 CPU 密集型程序）的性能將隨系統中處理器的數目幾乎線性地提高。如果正在編寫 CPU 非常密集型的程序，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編程更有趣、快速和靈活。
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如果熟悉 Linux 編程，就有可能知道 __clone() 系統調用。__clone() 類似於 fork()，同時也有許多線程的特性。例如，使用 __clone()，新的子進程可以有選擇地共享父進程的執行環境（內存空間，文件描述符等）。這是好的一面。但 __clone() 也有不足之處。正如__clone() 在線幫助指出：
“__clone 調用是特定於 Linux 平臺的，不適用於實現可移植的程序。欲編寫線程化應用程序（多線程控制同一內存空間），最好使用實現 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。當然這並不意味着代碼中不能使用它。但在軟件中考慮使用 __clone() 時應當權衡這一事實。值得慶幸的是，正如 __clone() 在線幫助指出，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，代碼可運行於 Solaris、FreeBSD、Linux 和其它平臺，POSIX 線程是一種當然之選。
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下面是一個 POSIX 線程的簡單示例程序：
#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);
}
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要編譯這個程序，只需先將程序存爲 thread1.c，然後輸入：
$ gcc thread1.c -o thread1 -lpthread |
運行則輸入：
$ ./thread1 |
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thread1.c 是一個非常簡單的線程程序。雖然它沒有實現什麼有用的功能，但可以幫助理解線程的運行機制。下面，我們一步一步地瞭解這個程序是幹什麼的。main() 中聲明瞭變量 mythread，類型是 pthread_t。pthread_t 類型在 pthread.h 中定義，通常稱爲“線程 id”（縮寫爲 "tid"）。可以認爲它是一種線程句柄。
mythread 聲明後（記住 mythread 只是一個 "tid"，或是將要創建的線程的句柄），調用 pthread_create 函數創建一個真實活動的線程。不要因爲 pthread_create() 在 "if" 語句內而受其迷惑。由於 pthread_create() 執行成功時返回零而失敗時則返回非零值，將 pthread_create() 函數調用放在 if() 語句中只是爲了方便地檢測失敗的調用。讓我們查看一下 pthread_create 參數。第一個參數 &mythread 是指向 mythread 的指針。第二個參數當前爲 NULL，可用來定義線程的某些屬性。由於缺省的線程屬性是適用的，只需將該參數設爲 NULL。
第三個參數是新線程啓動時調用的函數名。本例中，函數名爲 thread_function()。當 thread_function() 返回時，新線程將終止。本例中，線程函數沒有實現大的功能。它僅將 "Thread says hi!" 輸出 20 次然後退出。注意 thread_function() 接受 void * 作爲參數，同時返回值的類型也是 void *。這表明可以用 void * 向新線程傳遞任意類型的數據，新線程完成時也可返回任意類型的數據。那如何向線程傳遞一個任意參數？很簡單。只要利用 pthread_create() 中的第四個參數。本例中，因爲沒有必要將任何數據傳給微不足道的 thread_function()，所以將第四個參數設爲 NULL。
您也許已推測到，在 pthread_create() 成功返回之後，程序將包含兩個線程。等一等， 兩個 線程？我們不是隻創建了一個線程嗎？不錯，我們只創建了一個進程。但是主程序同樣也是一個線程。可以這樣理解：如果編寫的程序根本沒有使用 POSIX 線程，則該程序是單線程的（這個單線程稱爲“主”線程）。創建一個新線程之後程序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，新線程創建之後主線程如何運行。答案，主線程按順序繼續執行下一行程序（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，然後作爲其清理過程的一部分，等待與另一個線程合併或“連接”。
現在，來看一下 pthread_join()。正如 pthread_create() 將一個線程拆分爲兩個， pthread_join() 將兩個線程合併爲一個線程。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 指針不爲 NULL，pthread_join 將線程的 void * 返回值放置在指定的位置上。由於我們不必理會 thread_function() 的返回值，所以將其設爲 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，主線程將中斷（轉向睡眠）然後等待 thread_function() 完成。當 thread_function() 完成後, pthread_join() 將返回。這時程序又只有一個主線程。當程序退出時，所有新線程已經使用 pthread_join() 合併了。這就是應該如何處理在程序中創建的每個新線程的過程。如果沒有合併一個新線程，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確的清理，最終會導致 pthread_create() 調用失敗。
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如果使用過 fork() 系統調用，可能熟悉父進程和子進程的概念。當用 fork() 創建另一個新進程時，新進程是子進程，原始進程是父進程。這創建了可能非常有用的層次關係，尤其是等待子進程終止時。例如，waitpid() 函數讓當前進程等待所有子進程終止。waitpid() 用來在父進程中實現簡單的清理過程。
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。這是因爲 POSIX 線程中不存在這種層次關係。雖然主線程可以創建一個新線程，新線程可以創建另一個新線程，POSIX 線程標準將它們視爲等同的層次。所以等待子線程退出的概念在這裏沒有意義。POSIX 線程標準不記錄任何“家族”信息。缺少家族信息有一個主要含意：如果要等待一個線程終止，就必須將線程的 tid 傳遞給 pthread_join()。線程庫無法爲您斷定 tid。
對大多數開發者來說這不是個好消息，因爲這會使有多個線程的程序複雜化。不過不要爲此擔憂。POSIX 線程標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/子關係這一事實卻爲在程序中使用線程開闢了更創造性的方法。例如，如果有一個線程稱爲線程 1，線程 1 創建了稱爲線程 2 的線程，則線程 1 自己沒有必要調用 pthread_join() 來合併線程 2，程序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，可以創建一個包含所有已停止線程的全局“死線程列表”，然後讓一個專門的清理線程專等停止的線程加到列表中。這個清理線程調用 pthread_join() 將剛停止的線程與自己合併。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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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：
#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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如同第一個程序，這個程序創建一個新線程。主線程和新線程都將全局變量 myglobal 加一 20 次。但是程序本身產生了某些意想不到的結果。編譯代碼請輸入：
$ gcc thread2.c -o thread2 -lpthread |
運行請輸入：
$ ./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！因爲 myglobal 從零開始，主線程和新線程各自對其進行了 20 次加一, 程序結束時 myglobal 值應當等於 40。由於 myglobal 輸出結果爲 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。首先查看函數 thread_function()。注意如何將 myglobal 複製到局部變量 "j" 了嗎? 接着將 j 加一, 再睡眠一秒，然後到這時纔將新的 j 值複製到 myglobal？這就是關鍵所在。設想一下，如果主線程就在新線程將 myglobal 值複製給 j 後 立即將 myglobal 加一，會發生什麼？當 thread_function() 將 j 的值寫回 myglobal 時，就覆蓋了主線程所做的修改。
當編寫線程程序時，應避免產生這種無用的副作用，否則只會浪費時間（當然，除了編寫關於 POSIX 線程的文章時有用）。那麼，如何才能排除這種問題呢？
由於是將 myglobal 複製給 j 並且等了一秒之後才寫回時產生問題，可以嘗試避免使用臨時局部變量並直接將 myglobal 加一。雖然這種解決方案對這個特定例子適用，但它還是不正確。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。但是爲什麼呢？
要理解這個問題，必須記住線程是併發運行的。即使在單處理器系統上運行（內核利用時間分片模擬多任務）也是可以的，從程序員的角度，想像兩個線程是同時執行的。thread2.c 出現問題是因爲 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”。我將在下一篇文章中講解如何做到這一點。到時候見。
- 參閱 Linux threads中的文檔，Sean Walton, KB7rfa
- 在 An Introduction to Pthreads-Tcl 中，查看對 Tcl 的更改以使其能夠使用 POSIX 線程
- 使用友好的 Linux pthread 在線幫助 ("man -k pthread")
- 參考 POSIX and DCE threads for Linux主頁
- 查看 The LinuxThreads Library
- Proolix ，一種簡單遵從 POSIX 標準的操作系統，用於 i8086+，一直在開發中
- 閱讀 David R. Butenhof 的著作 Programming with POSIX Threads，書中討論了許多問題，其中談到不使用互斥對象是可能出現的種種情況
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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 自小學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 程序語言，並沉溺於 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 取得聯繫。 |