線程是有趣的

了解如何正確運(yùn)用線程是每一個優(yōu)秀程序員必備的素質(zhì)。線程類似于進(jìn)程。如同進(jìn)程，線程由內(nèi)核按時間分片進(jìn)行管理。在單處理器系統(tǒng)中，內(nèi)核使用時間分片來模擬線程的并發(fā)執(zhí)行，這種方式和進(jìn)程的相同。而在多處理器系統(tǒng)中，如同多個進(jìn)程，線程實(shí)際上一樣可以并發(fā)執(zhí)行。
那么為什么對于大多數(shù)合作性任務(wù)，多線程比多個獨(dú)立的進(jìn)程更優(yōu)越呢？這是因?yàn)椋€程共享相同的內(nèi)存空間。不同的線程可以存取內(nèi)存中的同一個變量。所以，程序中的所有線程都可以讀或?qū)懧暶鬟^的全局變量。如果曾用 fork() 編寫過重要代碼，就會認(rèn)識到這個工具的重要性。為什么呢？雖然 fork() 允許創(chuàng)建多個進(jìn)程，但它還會帶來以下通信問題: 如何讓多個進(jìn)程相互通信，這里每個進(jìn)程都有各自獨(dú)立的內(nèi)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(jìn)程間通信），但它們都遇到兩個重要障礙：

• 強(qiáng)加了某種形式的額外內(nèi)核開銷，從而降低性能。
• 對于大多數(shù)情形，IPC 不是對于代碼的“自然”擴(kuò)展。通常極大地增加了程序的復(fù)雜性。

雙重壞事: 開銷和復(fù)雜性都非好事。如果曾經(jīng)為了支持 IPC 而對程序大動干戈過，那么您就會真正欣賞線程提供的簡單共享內(nèi)存機(jī)制。由于所有的線程都駐留在同一內(nèi)存空間，POSIX 線程無需進(jìn)行開銷大而復(fù)雜的長距離調(diào)用。只要利用簡單的同步機(jī)制，程序中所有的線程都可以讀取和修改已有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而無需將數(shù)據(jù)經(jīng)由文件描述符轉(zhuǎn)儲或擠入緊窄的共享內(nèi)存空間。僅此一個原因，就足以讓您考慮應(yīng)該采用單進(jìn)程/多線程模式而非多進(jìn)程/單線程模式。

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線程是快捷的

不僅如此。線程同樣還是非常快捷的。與標(biāo)準(zhǔn) fork() 相比，線程帶來的開銷很小。內(nèi)核無需單獨(dú)復(fù)制進(jìn)程的內(nèi)存空間或文件描述符等等。這就節(jié)省了大量的 CPU 時間，使得線程創(chuàng)建比新進(jìn)程創(chuàng)建快上十到一百倍。因?yàn)檫@一點(diǎn)，可以大量使用線程而無需太過于擔(dān)心帶來的 CPU 或內(nèi)存不足。使用 fork() 時導(dǎo)致的大量 CPU 占用也不復(fù)存在。這表示只要在程序中有意義，通常就可以創(chuàng)建線程。
當(dāng)然，和進(jìn)程一樣，線程將利用多 CPU。如果軟件是針對多處理器系統(tǒng)設(shè)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(yùn)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(tǒng)中處理器的數(shù)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(shè)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 和其它復(fù)雜的通信機(jī)制，就能夠以全新和創(chuàng)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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線程是可移植的

如果熟悉 Linux 編程，就有可能知道 __clone() 系統(tǒng)調(diào)用。__clone() 類似于 fork()，同時也有許多線程的特性。例如，使用 __clone()，新的子進(jìn)程可以有選擇地共享父進(jìn)程的執(zhí)行環(huán)境（內(nèi)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(diào)用是特定于 Linux 平臺的，不適用于實(shí)現(xiàn)可移植的程序。欲編寫線程化應(yīng)用程序（多線程控制同一內(nèi)存空間），最好使用實(shí)現(xiàn) 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(dāng)然這并不意味著代碼中不能使用它。但在軟件中考慮使用 __clone() 時應(yīng)當(dāng)權(quán)衡這一事實(shí)。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(yùn)行于 Solaris、FreeBSD、Linux 和其它平臺，POSIX 線程是一種當(dāng)然之選。

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第一個線程

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);
}

要編譯這個程序，只需先將程序存為 thread1.c，然后輸入：

$ gcc thread1.c -o thread1 -lpthread

運(yùn)行則輸入：

$ ./thread1

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理解 thread1.c

thread1.c 是一個非常簡單的線程程序。雖然它沒有實(shí)現(xiàn)什么有用的功能，但可以幫助理解線程的運(yùn)行機(jī)制。下面，我們一步一步地了解這個程序是干什么的。main() 中聲明了變量 mythread，類型是 pthread_t。pthread_t 類型在 pthread.h 中定義，通常稱為“線程 id”（縮寫為 "tid"）。可以認(rèn)為它是一種線程句柄。

mythread 聲明后（記住 mythread 只是一個 "tid"，或是將要創(chuàng)建的線程的句柄），調(diào)用 pthread_create 函數(shù)創(chuàng)建一個真實(shí)活動的線程。不要因?yàn)?pthread_create() 在 "if" 語句內(nèi)而受其迷惑。由于 pthread_create() 執(zhí)行成功時返回零而失敗時則返回非零值，將 pthread_create() 函數(shù)調(diào)用放在 if() 語句中只是為了方便地檢測失敗的調(diào)用。讓我們查看一下 pthread_create 參數(shù)。第一個參數(shù) &mythread 是指向 mythread 的指針。第二個參數(shù)當(dāng)前為 NULL，可用來定義線程的某些屬性。由于缺省的線程屬性是適用的，只需將該參數(shù)設(shè)為 NULL。

第三個參數(shù)是新線程啟動時調(diào)用的函數(shù)名。本例中，函數(shù)名為 thread_function()。當(dāng) thread_function() 返回時，新線程將終止。本例中，線程函數(shù)沒有實(shí)現(xiàn)大的功能。它僅將 "Thread says hi!" 輸出 20 次然后退出。注意 thread_function() 接受 void * 作為參數(shù)，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(shù)據(jù)，新線程完成時也可返回任意類型的數(shù)據(jù)。那如何向線程傳遞一個任意參數(shù)？很簡單。只要利用 pthread_create() 中的第四個參數(shù)。本例中，因?yàn)闆]有必要將任何數(shù)據(jù)傳給微不足道的 thread_function()，所以將第四個參數(shù)設(shè)為 NULL。

您也許已推測到，在 pthread_create() 成功返回之后，程序?qū)瑑蓚€線程。等一等， 兩個 線程？我們不是只創(chuàng)建了一個線程嗎？不錯，我們只創(chuàng)建了一個進(jìn)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（這個單線程稱為“主”線程）。創(chuàng)建一個新線程之后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(chuàng)建之后主線程如何運(yùn)行。答案，主線程按順序繼續(xù)執(zhí)行下一行程序（本例中執(zhí)行 "if (pthread_join(...))"）。第二個問題，新線程結(jié)束時如何處理。答案，新線程先停止，然后作為其清理過程的一部分，等待與另一個線程合并或“連接”。

現(xiàn)在，來看一下 pthread_join()。正如 pthread_create() 將一個線程拆分為兩個， pthread_join() 將兩個線程合并為一個線程。pthread_join() 的第一個參數(shù)是 tid mythread。第二個參數(shù)是指向 void 指針的指針。如果 void 指針不為 NULL，pthread_join 將線程的 void * 返回值放置在指定的位置上。由于我們不必理會 thread_function() 的返回值，所以將其設(shè)為 NULL.

您會注意到 thread_function() 花了 20 秒才完成。在 thread_function() 結(jié)束很久之前，主線程就已經(jīng)調(diào)用了 pthread_join()。如果發(fā)生這種情況，主線程將中斷（轉(zhuǎn)向睡眠）然后等待 thread_function() 完成。當(dāng) thread_function() 完成后, pthread_join() 將返回。這時程序又只有一個主線程。當(dāng)程序退出時，所有新線程已經(jīng)使用 pthread_join() 合并了。這就是應(yīng)該如何處理在程序中創(chuàng)建的每個新線程的過程。如果沒有合并一個新線程，則它仍然對系統(tǒng)的最大線程數(shù)限制不利。這意味著如果未對線程做正確的清理，最終會導(dǎo)致 pthread_create() 調(diào)用失敗。

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無父，無子

如果使用過 fork() 系統(tǒng)調(diào)用，可能熟悉父進(jìn)程和子進(jìn)程的概念。當(dāng)用 fork() 創(chuàng)建另一個新進(jìn)程時，新進(jìn)程是子進(jìn)程，原始進(jìn)程是父進(jìn)程。這創(chuàng)建了可能非常有用的層次關(guān)系，尤其是等待子進(jìn)程終止時。例如，waitpid() 函數(shù)讓當(dāng)前進(jìn)程等待所有子進(jìn)程終止。waitpid() 用來在父進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)簡單的清理過程。

而 POSIX 線程就更有意思。您可能已經(jīng)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?yàn)?POSIX 線程中不存在這種層次關(guān)系。雖然主線程可以創(chuàng)建一個新線程，新線程可以創(chuàng)建另一個新線程，POSIX 線程標(biāo)準(zhǔn)將它們視為等同的層次。所以等待子線程退出的概念在這里沒有意義。POSIX 線程標(biāo)準(zhǔn)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()。線程庫無法為您斷定 tid。

對大多數(shù)開發(fā)者來說這不是個好消息，因?yàn)檫@會使有多個線程的程序復(fù)雜化。不過不要為此擔(dān)憂。POSIX 線程標(biāo)準(zhǔn)提供了有效地管理多個線程所需要的所有工具。實(shí)際上，沒有父/子關(guān)系這一事實(shí)卻為在程序中使用線程開辟了更創(chuàng)造性的方法。例如，如果有一個線程稱為線程 1，線程 1 創(chuàng)建了稱為線程 2 的線程，則線程 1 自己沒有必要調(diào)用 pthread_join() 來合并線程 2，程序中其它任一線程都可以做到。當(dāng)編寫大量使用線程的代碼時，這就可能允許發(fā)生有趣的事情。例如，可以創(chuàng)建一個包含所有已停止線程的全局“死線程列表”，然后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(diào)用 pthread_join() 將剛停止的線程與自己合并。現(xiàn)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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