Linux下多线程编程-Pthread与Semaphore的使用.doc
简单的多线程编程Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。顺便说一下，Linux下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。clone（）是Linux所特有的系统调用，它的使用方式类似fork，关于clone（）的详细情况，有兴趣的读者可以去查看有关文档说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序 example1.c。/* example.c*/#include <stdio.h>#include <pthread.h>void thread(void) int i; for( i = 0;i < 3; i+ ) printf("This is a pthread.n");int main(void) pthread_t id; int i,ret; ret = pthread_create( &id, NULL, (void *)thread, NULL ); if ( ret!=0 ) printf ("Create pthread error!n"); exit (1); for( i = 0; i < 3; i+ ) printf("This is the main process.n"); pthread_join(id,NULL); return (0);我们编译此程序：gcc example1.c -lpthread -o example1运行example1，我们得到如下结果：This is the main process.This is a pthread.This is the main process.This is the main process.This is a pthread.This is a pthread.再次运行，我们可能得到如下结果：This is a pthread.This is the main process.This is a pthread.This is the main process.This is a pthread.This is the main process.前后两次结果不一样，这是两个线程争夺CPU资源的结果。上面的示例中，我们使用到了两个函数， pthread_create和pthread_join，并声明了一个pthread_t型的变量。pthread_t在头文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定义：typedef unsigned long int pthread_t;它是一个线程的标识符。函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：extern int pthread_create _P (pthread_t *_thread, _const pthread_attr_t *_attr,void *(*_start_routine) (void *), void *_arg);第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。这里，我们的函数thread不需要参数，所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。对线程属性的设定和修改我们将在下一节阐述。当创建线程成功时，函数返回0，若不为0则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为EAGAIN和EINVAL。前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为：extern int pthread_join _P (pthread_t _th, void *_thread_return);第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。一个线程的结束有两种途径，一种是象我们上面的例子一样，函数结束了，调用它的线程也就结束了；另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。它的函数原型为：extern void pthread_exit _P (void *_retval) _attribute_ (_noreturn_);唯一的参数是函数的返回代码，只要pthread_join中的第二个参数thread_return不是NULL，这个值将被传递给 thread_return。最后要说明的是，一个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用pthread_join的线程则返回错误代码ESRCH。信号量信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。下面我们逐个介绍和信号量有关的一些函数，它们都在头文件 /usr/include/semaphore.h中定义。信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。函数sem_init（）用来初始化一个信号量。它的原型为：extern int sem_init _P (sem_t *_sem, int _pshared, unsigned int _value);sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。下面我们来看一个使用信号量的例子。在这个例子中，一共有4个线程，其中两个线程负责从文件读取数据到公共的缓冲区，另两个线程从缓冲区读取数据作不同的处理（加和乘运算）。/* File sem.c */#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include <semaphore.h>#define MAXSTACK 100int stackMAXSTACK2;int size = 0;sem_t sem;/* 从文件1.dat读取数据，每读一次，信号量加一*/void ReadData1( void ) FILE *fp = fopen( "1.dat", "r" ); while ( !feof( fp ) ) fscanf( fp, "%d %d", &stacksize0, &stacksize1 ); sem_post( &sem ); +size; fclose(fp);/*从文件2.dat读取数据*/void ReadData2( void ) FILE *fp=fopen("2.dat","r"); while ( !feof( fp ) ) fscanf(fp,"%d %d",&stacksize0,&stacksize1); sem_post(&sem); +size; fclose(fp);/*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/void HandleData1( void ) while( 1 ) sem_wait( &sem ); printf( "Plus:%d+%d=%dn", stacksize0, stacksize1, stacksize0+stacksize1 ); -size; void HandleData2(void) while ( 1 ) sem_wait( &sem ); printf( "Multiply:%d*%d=%dn", stacksize0,stacksize1, stacksize0*stacksize1 ); -size; int main(void) pthread_t t1,t2,t3,t4; sem_init( &sem, 0, 0 ); pthread_create( &t1, NULL, (void *)HandleData1, NULL); pthread_create( &t2, NULL, (void *)HandleData2, NULL); pthread_create( &t3, NULL, (void *)ReadData1, NULL); pthread_create( &t4, NULL, (void *)ReadData2, NULL); /* 防止程序过早退出，让它在此无限期等待*/ pthread_join( t1,NULL );在Linux下，我们用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可执行文件sem。 我们事先编辑好数据文件1.dat和2.dat，假设它们的内容分别为1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，我们运行sem，得到如下的结果：Multiply:-1*-2=2Plus:-1+-2=-3Multiply:9*10=90Plus:-9+-10=-19Multiply:-7*-8=56Plus:-5+-6=-11Multiply:-3*-4=12Plus:9+10=19Plus:7+8=15Plus:5+6=11从中我们可以看出各个线程间的竞争关系。而数值并未按我们原先的顺序显示出来这是由于size这个数值被各个线程任意修改的缘故。这也往往是多线程编程要注意的问题。
