AUPE——Chapter 11：线程

一个进程中的所有线程都可以访问该进程的组成部件。

线程包含了表示进程执行环境必需的信息，其中包括进程中标识线程的线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno变量以及线程私有数据。

进程的所有信息对该进程的所有线程都是共享的，包括可执行的程序文本、程序全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。

进程ID在整个系统中是唯一的，
线程ID只在它所属的进程环境中有效。

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比较两个线程ID：

#include <pthread.h>

int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);
                        /* 返回值：若相等则返回非0值，否则返回0 */

获取自身线程ID：

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);
                        /* 返回值：调用线程的线程ID */

11.1 线程创建

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);

                    /* 返回值：若成功返回0，否则返回错误号码 */

tidp指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。
attr参数用于定制各种不同的线程属性。
新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行。
函数参数的结构地址作为arg参数传入。

新创建的线程可以访问进程的地址空间，并且继承调用线程的浮点环境和信号屏蔽字，但是该线程的未决信号集被清除。

11.2 线程终止

如果进程中的任一线程调用了exit，_Exit或者_exit，那么整个进程都会终止。如果信号的默认动作是终止进程，那么把该信号发送到线程会终止整个进程。

单个线程可以通过下列三种方式退出，在不终止整个进程的情况下停止它的控制流：
（1）线程只是从启动例程中返回，返回值是线程的退出码。
（2）线程可以被同一进程中的其他线程取消。
（3）线程调用pthread_exit。

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *rval_ptr);

进程中的其他线程可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针。

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
                    /* 返回值：若成功则返回0，否则返回错误编号 */

调用线程将一直阻塞，直到指定的线程调用pthread_exit，从启动例程中返回或者被取消。

如果线程只是从它的启动例程返回，rval_ptr将包含返回码。如果线程被取消，由rval_ptr指定的内存单元就置为PTHREAD_CANCELED。

可以通过调用pthread_join自动把线程置于分离状态，这样资源就可以恢复。如果线程已经处于分离状态，pthread_join调用就会失败，返回EINVAL。

线程可以调用pthread_cancel函数来请求取消同一进程中的其他线程。

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t tid);
                        /* 返回值：若成功则返回0，否则返回错误编号 */

pthread_cancel并不等待线程终止，它仅仅提出请求。

线程清理处理程序（thread cleanup handler）：线程可以安排它退出时需调用的函数。线程可以建立多个清理处理程序。处理程序记录在栈中，它们的执行顺序与它们注册的顺序相反。

#include <pthread.h>

void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *), void *arg);

void pthread_cleanup_pop(int execute);

当执行以下动作时调用清理函数：

• 调用pthread_exit时。
• 响应取消请求时。
• 用非零execute参数调用pthread_cleanup_pop时。

如果execute参数为0，清理函数将不被调用。

pthread_cleanup_pop都将删除上次pthread_cleanup_push调用建立的清理处理程序。

如果线程是通过从它的启动例程中返回而终止的话，那么它的清理处理程序就不会被调用。

pthread_detach调用可以用于使线程进入分离状态。

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t tid);
                        /* 返回值：若成功则返回0，否则返回错误编号 */

11.3 线程同步

互斥量（mutex）

互斥变量用 pthread_mutex_t 数据类型来表示，使用前需对它初始化，可以设置为常量 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只对静态分配的互斥量）。也可以调用pthread_mutex_init函数进行初始化。如果动态地分配互斥量，那么在释放内存前需调用pthread_mutex_destroy。

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
                        /* 返回值：若成功则返回0，否则返回错误编号 */

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

                        /* 返回值：若成功则返回0，否则返回错误编号 */

读写锁

读写锁可以有三种状态：
1）读模式下加锁状态
2）写模式下加锁状态
3）不加锁状态

一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。

如果线程希望以写模式对此锁进行加锁，它必须阻塞直到所有的线程释放读锁。

如果有另外的线程试图以写模式加锁，读写锁通常会阻塞随后的读模式锁请求。

读写锁在使用之前必须初始化，在释放它们底层的内存前必须销毁。

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

                /* 若成功则返回0，否则返回错误编号 */

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

                /* 若成功则返回0，否则返回错误编号 */

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

                /* 若成功则返回0，否则返回错误编号 */

条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量与互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为必须锁住互斥量以后才能计算条件。

条件变量使用之气需初始化。常量 PTHREAD_COND_INITIALIZER 赋给静态分配的条件变量。动态分配用 pthread_cond_init 初始化。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *restrict cond);

                /* 若成功则返回0，否则返回错误编号 */

使用 pthread_cond_wait 等待条件变为真，如果在给定的时间内条件不能满足，那么会生成一个代表出错码的返回变量。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict timeout);

                /* 若成功则返回0，否则返回错误编号 */

传递给pthread_cond_wait的互斥量对条件进行保护，调用者把锁住的互斥量传给函数。函数把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后对互斥量解锁，这两个操作是原子操作。pthread_cond_wait返回时，互斥量再次被锁住。

struct timespec {
    time_t tv_sec;      /* seconds */
    long   tv_nsec;     /* nanoseconds */
}

时间只是一个绝对数而不是相对数。例如，等待3分钟，就把当前时间加上3分钟再转换到timespec结构体中。gettimeofday获取timeval结构表示的当前时间，然后把这个时间转换为timespec结构。

通知线程条件已经满足，
pthread_cond_signal函数将唤醒等待该条件的某个线程。
pthread_cond_broadcast函数将唤醒等待该条件的所有线程。

#include <pthread.h>

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

                /* 若成功则返回0，否则返回错误编号 */

调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast，也称向线程发送信号。必须注意一定要在改变条件状态以后再给线程发送信号。