操作系统-多线程编程（1）

内核级阻塞与应用级阻塞

异步与同步：

阻塞与非阻塞：

线程概念

linux进程可以看做只有一个单独控制线程的进程：单一线程的进程在同一时间只能做一件事。

单一进程中有了多个控制线程之后，可以将程序设计成某一时刻能够做不止一件事。每个线程都可以同时处理各自的任务。

单处理器上可以实现快速的线程切换（相比于进程切换开销小很多），这样相当于”同时”做着不同的任务。

多线程优点：

在处理异步（应用程序不会被异步事件阻塞。但内核里实际有可能阻塞。）事件时，可以简化处理代码。在单线程时，多个异步事件需要单个安排执行适当的顺序，在多线程时，单个异步事件分别交给不同的线程处理，单个线程内部使用同步模型，处理事件。简化了编程的复杂度。
多个进程之间的内存和文件描述符共享需要依赖操作系统提供的复杂机制，多个线程之间本就共享进程的存储空间和文件描述符。
要解决的问题本身就是可以分解成多个独立的任务的。这时，使用多线程明显可以提高系统的吞吐量。
交互式程序可以使用多线程来改善响应时间：输入输出（IO）可以与其他处理IO的逻辑分别执行。

每个线程包含的信息（数据结构和资源）：

线程ID
单独的寄存器值
单独栈
调度的优先级和策略
信号屏蔽字
线程私有数据（线程本地存储TLS）

并且，同一个进程的所有线程共享进程的某些资源

可执行程序代码
全局内存：（初始化数据段，未初始化数据段）
堆内存
程序栈
文件描述符

Pthread API详细背景

有几个概念贯穿整个Pthreads API，下面首先介绍：

线程数据类型

Pthreads API 定义了一干数据类型，表 29-1 列出了其中的一部分。后续会对这些数据类型中的绝大部分加以描述。

线程 errno

一言以蔽之，errno 机制在保留传统 UNIX API 报错方式的同时，也适应了多线程环境。

Pthreads 函数返回值

从系统调用和库函数中返回状态，传统的做法是：返回 0 表示成功，返回-1 表示失败，并设置 errno 以标识错误原因。

Pthreads API 所有 Pthreads 函数均以返回 0 表示成功，返回一正值表示失败。这一失败时的返回值，与传统 UNIX 系统调用置于 errno 中的值含义相同。

创建线程

启动程序时，产生的进程只有单条线程，称之为初始（initial）或主（main）线程。

函数 pthread_create()负责创建一条新线程。

#include<pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                    void * (*start)(void*),void *args);
// 成功返回0，错误返回一个正错误号。

新线程通过带有参数（args）的函数start开始执行。原线程继续执行后续语句。如果执行的执行函数不需要参数，则可以将args设置为NULL
start()的返回值类型为 void*，对其使用方式与参数 arg 相同。对后续 pthread_join()函数的描述中，将论及对该返回值的使用方式。
将经强制转换的整型数作为线程 start 函数的返回值时，必须小心谨慎。原因在于，取消线程（见第 32 章）时的返回值 PTHREAD_CANCELED，通常是由实现所定义的整型值，再经强制转换为 void*。如果某一线程B恰好返回实现定义此取消值，那么正在执行pthread_join()操作的线程B，会误认为A遭到了取消。
参数 thread 指向 pthread_t 类型的缓冲区，在 pthread_create()返回前，会在此保存一个该线程的唯一标识。后续的 Pthreads 函数将使用该标识来引用此线程。在新线程开始执行之前，实现无需对 thread 参数所指向的缓冲区进行初始化，即新线程可能会在 pthread_create()返回给调用者之前已经开始运行。如**新线程需要获取自己的线程 ID，则只能使用 pthread_self()**（29.5 节描述）方法。
参数 attr 是指向 pthread_attr_t 对象的指针，该对象指定了新线程的各种属性。29.8 节将述及其中的部分属性。如果将 attr 设置为 NULL，那么创建新线程时将使用各种默认属性，

调用 pthread_create()后，应用程序无从确定系统接着会调度哪一个线程来使用 CPU 资源（在多处理器系统中，多个线程可能会在不同 CPU 上同时执行）。

终止线程

有如下方式

执行函数（start）执行return语句，返回指定值
线程调用pthread_exit()
- 调用和执行return类似，不同之处在于，可在线程start函数所调用的任意函数中调用pthread_exit()
- retval不应分配在线程栈中，start函数的返回值也不应分配在堆栈中
- 如果主线程调用pthread_exit()，而非调用exit()或return，其他线程将继续运行

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include<pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
// 其返回值可由其他线程调用pthread_jion()获得。

调用pthread_cancel()取消线程
任意线程调用了exit()，或主线程执行return，都会导致所有线程立即退出

线程标识（ID）

一个线程可以通过pthread_self()获取自己的ID

1 2	#include<pthread.h> pthread_t pthread_self(void);

函数pthread_equal()可检查两个线程ID是否相同

#include<pthread.h>
pthread_t pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);
// 如果相同返回非0，否则0
// pthread_t是由实现定义的，可移植程序不应依赖它

链接（joioning）已终止的线程

函数pthread_join()等待特定ID的已终止线程。

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#include<pthread.h>
pthread_t pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
// 0成功，失败返回一个正错误号

retval保存终止进程的返回值

pthread_join()执行的功能类似于针对进程的 waitpid()调用，不过二者之间存在一些显著差别。

线程之间的关系是对等的（peers），进程中的任意线程均可以调用 pthread_join()与该进程的任何其他线程连接起来。例如，如果线程 A 创建线程 B，线程 B 再创建线程 C，那么线程 A 可以连接线程 C，线程 C 也可以连接线程 A。这与进程间的层次关系不同，父进程如果使用 fork()创建了子进程，那么它也是唯能够对子进程调用 wait()的进程。调用 pthread_create()创建的新线程与发起调用的线程之间，就没有这样的关系。
无法“连接任意线程”（对于进程，则可以通过调用 waitpid(-1, &status, options)做到这一点），也不能以非阻塞（nonblocking）方式进行连接（类似于设置 WHOHANG 标志的 waitpid()）。使用条件（condition）变量可以实现类似的功能。

线程的分离

有时，程序员并不关心线程的返回状态，只是希望系统在线程终止时能够自动清理并移除之。在这种情况下，可以调用 pthread_detach()并向 thread 参数传入指定线程的标识符，将该线程标记为处于分离（detached）状态。

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#include<pthread.h>
pthread_t pthread_detch(pthread_t thread);
// 0成功，失败返回一个正错误号

一旦线程处于分离状态，就不能再使用 pthread_join()来获取其状态，也无法使其重返“可连接”状态
其他线程调用了 exit()，或是主线程执行 return 语句时，即便遭到分离的线程也还是会受到影响。此时，不管线程处于可连接状态还是已分离状态，进程的所有线程会立即终止。换言之，pthread_detach()只是控制线程终止之后所发生的事情（被自动回收，而不是成为僵尸），而非何时或如何终止线程。

线程属性

点出如下之类的一些属性：

线程栈的位置和大小、
线程调度策略和优先级（类似于 35.2 节和 35.3
节所描述的进程实时调度策略和优先级），
以及线程是否处于可连接或分离状态。