Linux多線程編程入門(2)

      線程的分離狀態決定一個線程以什麼樣的方式來終止自己。在上面的例子中,我們採用了線程的默認屬性,即爲非分離狀態,這種情況下,原有的線程等待創建的線程結束。只有當pthread_join()函數返回時,創建的線程纔算終止,才能釋放自己佔用的系統資源。而分離線程不是這樣子的,它沒有被其他的線程所等待,自己運行結束了,線程也就終止了,馬上釋放系統資源。程序員應該根據自己的需要,選擇適當的分離狀態。設置線程分離狀態的函數爲 pthread_attr_setdetachstatepthread_attr_t *attr, int detachstate)。第二個參數可選爲PTHREAD_CREATE_DETACHED(分離線程)和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE(非分離線程)。這裏要注意的一點是,如果設置一個線程爲分離線程,而這個線程運行又非常快,它很可能在 pthread_create函數返回之前就終止了,它終止以後就可能將線程號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號。要避免這種情況可以採取一定的同步措施,最簡單的方法之一是可以在被創建的線程裏調用 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返回。設置一段等待時間,是在多線程編程裏常用的方法。但是注意不要使用諸如wait()之類的函數,它們是使整個進程睡眠,並不能解決線程同步的問題。

  另外一個可能常用的屬性是線程的優先級,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。

 

  

 

線程的數據處理

  和進程相比,線程的最大優點之一是數據的共享性,各個進程共享父進程處沿襲的數據段,可以方便的獲得、修改數據。但這也給多線程編程帶來了許多問題。我們必須當心有多個不同的進程訪問相同的變量。許多函數是不可重入的,即同時不能運行一個函數的多個拷貝(除非使用不同的數據段)。在函數中聲明的靜態變量常常帶來問題,函數的返回值也會有問題。因爲如果返回的是函數內部靜態聲明的空間的地址,則在一個線程調用該函數得到地址後使用該地址指向的數據時,別的線程可能調用此函數並修改了這一段數據。在進程中共享的變量必須用關鍵字volatile 來定義,這是爲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。爲了保護變量,我們必須使用信號量、互斥等方法來保證我們對變量的正確使用。下面,我們就逐步介紹處理線程數據時的有關知識。

      

1、線程數據

  在單線程的程序裏,有兩種基本的數據:全局變量和局部變量。但在多線程程序裏,還有第三種數據類型:線程數據(TSD: Thread-Specific Data)。它和全局變量很象,在線程內部,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。這種數據的必要性是顯而易見的。例如我們常見的變量errno,它返回標準的出錯信息。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線程裏輸出的很可能是B線程的出錯信息。要實現諸如此類的變量,我們就必須使用線程數據。我們爲每個線程數據創建一個鍵,它和這個鍵相關聯,在各個線程裏,都使用這個鍵來指代線程數據,但在不同的線程裏,這個鍵代表的數據是不同的,在同一個線程裏,它代表同樣的數據內容。

  和線程數據相關的函數主要有4個:創建一個鍵;爲一個鍵指定線程數據;從一個鍵讀取線程數據;刪除鍵。

  創建鍵的函數原型爲:

         
  第一個參數爲指向一個鍵值的指針,第二個參數指明瞭一個destructor函數,如果這個參數不爲空,那麼當每個線程結束時,系統將調用這個函數來釋放綁定在這個鍵上的內存塊。這個函數常和函數pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用,爲了讓這個鍵只被創建一次。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,以後的調用將被它忽略。

  在下面的例子中,我們創建一個鍵,並將它和某個數據相關聯。我們要定義一個函數 createWindow,這個函數定義一個圖形窗口(數據類型爲Fl_Window *,這是圖形界面開發工具FLTK中的數據類型)。由於各個線程都會調用這個函數,所以我們使用線程數據。

 

 

  

      這樣,在不同的線程中調用函數createMyWin,都可以得到在線程內部均可見的窗口變量,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來將線程數據和一個鍵綁定在一起。這兩個函數的原型如下:
 

 

  

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爲一個鍵指定新的線程數據時,必須自己釋放原有的線程數據以回收空間。這個過程函數pthread_key_delete用來刪除一個鍵,這個鍵佔用的內存將被釋放,但同樣要注意的是,它只釋放鍵佔用的內存,並不釋放該鍵關聯的線程數據所佔用的內存資源,而且它也不會觸發函數pthread_key_create中定義的destructor函數。線程數據的釋放必須在釋放鍵之前完成。

  

2、互斥鎖

  互斥鎖用來保證一段時間內只有一個線程在執行一段代碼。必要性顯而易見:假設各個線程向同一個文件順序寫入數據,最後得到的結果一定是災難性的。

  我們先看下面一段代碼。這是一個讀/寫程序,它們公用一個緩衝區,並且我們假定一個緩衝區只能保存一條信息。即緩衝區只有兩個狀態:有信息或沒有信息。

 

 

  

 這裏聲明瞭互斥鎖變量mutex,結構pthread_mutex_t爲不公開的數據類型,其中包含一個系統分配的屬性對象。函數 pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL參數表明使用默認屬性。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用來設置互斥鎖屬性。前一個函數設置屬性pshared,它有兩個取值,PTHREAD_PROCESS_PRIVATEPTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來不同進程中的線程同步,後者用於同步本進程的不同線程。在上面的例子中,我們使用的是默認屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。後者用來設置互斥鎖類型,可選的類型有PTHREAD_MUTEX_NORMALPTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK PTHREAD_MUTEX_RECURSIVEPTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它們分別定義了不同的上所、解鎖機制,一般情況下,選用最後一個默認屬性。

   pthread_mutex_lock聲明開始用互斥鎖上鎖,此後的代碼直至調用pthread_mutex_unlock爲止,均被上鎖,即同一時間只能被一個線程調用執行。當一個線程執行到pthread_mutex_lock處時,如果該鎖此時被另一個線程使用,那此線程被阻塞,即程序將等待到另一個線程釋放此互斥鎖。在上面的例子中,我們使用了pthread_delay_np函數,讓線程睡眠一段時間,就是爲了防止一個線程始終佔據此函數。

  上面的例子非常簡單,就不再介紹了,需要提出的是在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現死鎖:兩個線程試圖同時佔用兩個資源,並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2a線程先鎖定互斥鎖1b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,它會返回相應的信息,程序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序員自己在程序設計注意這一點。

 

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