這是一個(gè)關(guān)于Posix線程編程的專(zhuān)欄。作者在闡明概念的基礎(chǔ)上，將向您詳細(xì)講述Posix線程庫(kù)API。本文是第一篇將向您講述線程的創(chuàng)建與取消。
一、線程創(chuàng)建
1．1 線程與進(jìn)程
相對(duì)進(jìn)程而言，線程是一個(gè)更加接近于執(zhí)行體的概念，它可以與同進(jìn)程中的其他線程共享數(shù)據(jù)，但擁有自己的棧空間，擁有獨(dú)立的執(zhí)行序列。在串行程序基礎(chǔ)上引入線程和進(jìn)程是為了提高程序的并發(fā)度，從而提高程序運(yùn)行效率和響應(yīng)時(shí)間。
線程和進(jìn)程在使用上各有優(yōu)缺點(diǎn)：線程執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)小，但不利于資源的管理和保護(hù)；而進(jìn)程正相反。同時(shí)，線程適合于在SMP機(jī)器上運(yùn)行，而進(jìn)程則可以跨機(jī)器遷移。
1．2 創(chuàng)建線程
POSIX通過(guò)pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程，API定義如下：
int pthread_create(pthread_t * thread, pthread_attr_t * attr,
void * (*start_routine)(void *), void * arg)
與fork()調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程的方法不同，pthread_create()創(chuàng)建的線程并不具備與主線程（即調(diào)用pthread_create()的線 程）同樣的執(zhí)行序列，而是使其運(yùn)行start_routine(arg)函數(shù)。thread返回創(chuàng)建的線程ID，而attr是創(chuàng)建線程時(shí)設(shè)置的線程屬性 （見(jiàn)下）。pthread_create()的返回值表示線程創(chuàng)建是否成功。盡管arg是void *類(lèi)型的變量，但它同樣可以作為任意類(lèi)型的參數(shù)傳給start_routine()函數(shù)；同時(shí)，start_routine()可以返回一個(gè)void *類(lèi)型的返回值，而這個(gè)返回值也可以是其他類(lèi)型，并由pthread_join()獲取。
1．3 線程創(chuàng)建屬性
pthread_create()中的attr參數(shù)是一個(gè)結(jié)構(gòu)指針，結(jié)構(gòu)中的元素分別對(duì)應(yīng)著新線程的運(yùn)行屬性，主要包括以下幾項(xiàng)：
__detachstate，表示新線程是否與進(jìn)程中其他線程脫離同步，如果置位則新線程不能用pthread_join()來(lái)同步，且在退出時(shí)自行釋放 所占用的資源。缺省為PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態(tài)。這個(gè)屬性也可以在線程創(chuàng)建并運(yùn)行以后用pthread_detach()來(lái)設(shè) 置，而一旦設(shè)置為PTHREAD_CREATE_DETACH狀態(tài)（不論是創(chuàng)建時(shí)設(shè)置還是運(yùn)行時(shí)設(shè)置）則不能再恢復(fù)到 PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態(tài)。
__schedpolicy，表示新線程的調(diào)度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非實(shí)時(shí)）、SCHED_RR（實(shí)時(shí)、輪轉(zhuǎn)法）和 SCHED_FIFO（實(shí)時(shí)、先入先出）三種，缺省為SCHED_OTHER，后兩種調(diào)度策略僅對(duì)超級(jí)用戶有效。運(yùn)行時(shí)可以用過(guò) pthread_setschedparam()來(lái)改變。
__schedparam，一個(gè)struct sched_param結(jié)構(gòu)，目前僅有一個(gè)sched_priority整型變量表示線程的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)。這個(gè)參數(shù)僅當(dāng)調(diào)度策略為實(shí)時(shí)（即SCHED_RR 或SCHED_FIFO）時(shí)才有效，并可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)pthread_setschedparam()函數(shù)來(lái)改變，缺省為0。
__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表 示新線程使用顯式指定調(diào)度策略和調(diào)度參數(shù)（即attr中的值），而后者表示繼承調(diào)用者線程的值。缺省為PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。
__scope，表示線程間競(jìng)爭(zhēng)CPU的范圍，也就是說(shuō)線程優(yōu)先級(jí)的有效范圍。POSIX的標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個(gè)值： PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示與系統(tǒng)中所有線程一起競(jìng)爭(zhēng)CPU時(shí)間，后者表示僅與同 進(jìn)程中的線程競(jìng)爭(zhēng)CPU。目前LinuxThreads僅實(shí)現(xiàn)了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。
pthread_attr_t結(jié)構(gòu)中還有一些值，但不使用pthread_create()來(lái)設(shè)置。
為了設(shè)置這些屬性，POSIX定義了一系列屬性設(shè)置函數(shù)，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個(gè)屬性相關(guān)的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函數(shù)。
1．4 線程創(chuàng)建的Linux實(shí)現(xiàn)
我們知道，Linux的線程實(shí)現(xiàn)是在核外進(jìn)行的，核內(nèi)提供的是創(chuàng)建進(jìn)程的接口do_fork()。內(nèi)核提供了兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用__clone()和fork ()，最終都用不同的參數(shù)調(diào)用do_fork()核內(nèi)API。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)線程，沒(méi)有核心對(duì)多進(jìn)程（其實(shí)是輕量級(jí)進(jìn)程）共享數(shù)據(jù)段的支持是不行的，因 此，do_fork()提供了很多參數(shù)，包括CLONE_VM（共享內(nèi)存空間）、CLONE_FS（共享文件系統(tǒng)信息）、CLONE_FILES（共享文 件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號(hào)句柄表）和CLONE_PID（共享進(jìn)程ID，僅對(duì)核內(nèi)進(jìn)程，即0號(hào)進(jìn)程有效）。當(dāng)使用fork系統(tǒng) 調(diào)用時(shí)，內(nèi)核調(diào)用do_fork()不使用任何共享屬性，進(jìn)程擁有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，而使用pthread_create()來(lái)創(chuàng)建線程時(shí),則最終設(shè)置了所 有這些屬性來(lái)調(diào)用__clone()，而這些參數(shù)又全部傳給核內(nèi)的do_fork()，從而創(chuàng)建的"進(jìn)程"擁有共享的運(yùn)行環(huán)境，只有棧是獨(dú)立的，由 __clone()傳入。
Linux線程在核內(nèi)是以輕量級(jí)進(jìn)程的形式存在的，擁有獨(dú)立的進(jìn)程表項(xiàng)，而所有的創(chuàng)建、同步、刪除等操作都在核外pthread庫(kù)中進(jìn)行。pthread 庫(kù)使用一個(gè)管理線程（__pthread_manager()，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立且唯一）來(lái)管理線程的創(chuàng)建和終止，為線程分配線程ID，發(fā)送線程相關(guān)的信號(hào) （比如Cancel），而主線程（pthread_create()）的調(diào)用者則通過(guò)管道將請(qǐng)求信息傳給管理線程。
二、線程取消
2．1 線程取消的定義
一般情況下，線程在其主體函數(shù)退出的時(shí)候會(huì)自動(dòng)終止，但同時(shí)也可以因?yàn)榻邮盏搅硪粋€(gè)線程發(fā)來(lái)的終止（取消）請(qǐng)求而強(qiáng)制終止。
2．2 線程取消的語(yǔ)義
線程取消的方法是向目標(biāo)線程發(fā)Cancel信號(hào)，但如何處理Cancel信號(hào)則由目標(biāo)線程自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續(xù)運(yùn)行至Cancelation-point（取消點(diǎn)），由不同的Cancelation狀態(tài)決定。
線程接收到CANCEL信號(hào)的缺省處理（即pthread_create()創(chuàng)建線程的缺省狀態(tài)）是繼續(xù)運(yùn)行至取消點(diǎn)，也就是說(shuō)設(shè)置一個(gè)CANCELED狀態(tài)，線程繼續(xù)運(yùn)行，只有運(yùn)行至Cancelation-point的時(shí)候才會(huì)退出。
2．3 取消點(diǎn)
根據(jù)POSIX標(biāo)準(zhǔn)，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、 pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數(shù)以及read()、write()等會(huì)引起阻塞的系 統(tǒng)調(diào)用都是Cancelation-point，而其他pthread函數(shù)都不會(huì)引起Cancelation動(dòng)作。但是pthread_cancel的手 冊(cè)頁(yè)聲稱，由于LinuxThread庫(kù)與C庫(kù)結(jié)合得不好，因而目前C庫(kù)函數(shù)都不是Cancelation-point；但CANCEL信號(hào)會(huì)使線程從阻 塞的系統(tǒng)調(diào)用中退出，并置EINTR錯(cuò)誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統(tǒng)調(diào)用前后調(diào)用 pthread_testcancel()，從而達(dá)到POSIX標(biāo)準(zhǔn)所要求的目標(biāo)，即如下代碼段：
pthread_testcancel();
retcode = read(fd, buffer, length);
pthread_testcancel();
2．4 程序設(shè)計(jì)方面的考慮
如果線程處于無(wú)限循環(huán)中，且循環(huán)體內(nèi)沒(méi)有執(zhí)行至取消點(diǎn)的必然路徑，則線程無(wú)法由外部其他線程的取消請(qǐng)求而終止。因此在這樣的循環(huán)體的必經(jīng)路徑上應(yīng)該加入pthread_testcancel()調(diào)用。
2．5 與線程取消相關(guān)的pthread函數(shù)
int pthread_cancel(pthread_t thread)
發(fā)送終止信號(hào)給thread線程，如果成功則返回0，否則為非0值。發(fā)送成功并不意味著thread會(huì)終止。
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
設(shè)置本線程對(duì)Cancel信號(hào)的反應(yīng)，state有兩種值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和 PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分別表示收到信號(hào)后設(shè)為CANCLED狀態(tài)和忽略CANCEL信號(hào)繼續(xù)運(yùn)行；old_state如果不為 NULL則存入原來(lái)的Cancel狀態(tài)以便恢復(fù)。
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
設(shè)置本線程取消動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)機(jī)，type由兩種取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和 PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，僅當(dāng)Cancel狀態(tài)為Enable時(shí)有效，分別表示收到信號(hào)后繼續(xù)運(yùn)行至下一個(gè)取消點(diǎn)再退出和 立即執(zhí)行取消動(dòng)作（退出）；oldtype如果不為NULL則存入運(yùn)來(lái)的取消動(dòng)作類(lèi)型值。
void pthread_testcancel(void)
檢查本線程是否處于Canceld狀態(tài)，如果是，則進(jìn)行取消動(dòng)作，否則直接返回。
轉(zhuǎn)自：
posted on 2009-11-25 15:22
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