Pthread - POSIX线程编程

 

 

 

线程的动机是充分利用多核，方便地实现并行编程。然而，早期的硬件厂商纷纷实现自己的一套线程标准，这样，程序员无法开发可移植的软件。为了结束这个局面，对UNIX系统，IEEE制定了一个C语言线程编程接口标准（IEEE POSIX 1003.1c）。参考这个标准的实现就被称作POSIX threads 或者 Pthreads.

 

什么是线程？

 

在理解线程之前，可以考察一个UNIX进程。一个进程由操作系统创建，包含一些程序资源和运行状态的信息，包括：

• 进程ID, 进程组ID, 用户ID和组ID
• 运行时环境
• 运行时目录
• 程序指令序列
• 寄存器
• 栈
• 堆
• 文件句柄
• 信号量动作
• 共享库
• 程序间通信的一些技术和工具（例如消息队列，管道和共享内存）

线程是一些独立的指令流，并且可以被操作系统调度。指令流执行的控制之所以是独立的，并且能被调度，源于线程有独立的：

• 栈指针
• 寄存器
• 调度属性（例如：策略和优先级）
• 挂起和阻塞的信号量集合
• 线程相关的数据

总而言之，在UNIX中，一个线程：

• 存在于进程中，可以使用进程的资源
• 只要宿主进程存在，并且有操作系统的支持，一个线程就可以有独立的控制流程
• 和其他独立（或有依赖）的线程共享进程的资源
• 如果宿主进程退出，线程也会退出
• 线程是轻量级的是因为负载已经由宿主进程承担

因为多个线程存在于一个进程中，这会导致下面几种情况：

• 某个线程改变了进程中的某个资源（例如打开一个文件，或关闭一个文件）会被其他线程观察到
• 多线程可以拥有对同一个数据的指针
• 多个线程可以访问共享内存，所以，需要开发人员做显式的同步操作

为什么要引入Pthreads

 

Pthreads的一个主要目标是提升程序的性能。创建线程和线程的调度并不会占用操作系统很多的负载。进程中的所有线程共享相同的地址空间，所以，线程之间的通信相比较进程会更高效和容易。多线程应用可以通过下面的途径达到性能上的提升：

• CPU和I/O同时工作。例如在一个有CPU密集型任务的进程中，当在等待I/O结束的时候，另外的线程可以占用CPU，执行那些耗费CPU的任务。
• 优先级调度。重要的任务可抢占低优先级的执行。
• 异步的事件调度。例如：一个web服务器在传输上一个请求的数据的同时，还可以管理接收新的请求。

设计多线程的程序

 

在现代多核CPU的系统中，pthreads很优雅地适合并行编程。实际上，在进行并行编程的过程中，需要有诸多考虑：

• 使用哪种并行编程模型
• 问题划分
• 负载均衡
• 线程之间的通信
• 数据依赖
• 同步和条件竞争
• 内存操作
• I/O操作
• 程序复杂度
• 程序员的付出和时间

通常来讲，为了充分利用多线程带来的益处，一个程序员必须将程序划分为离散的，互相独立的任务，这些任务可以兵符执行。比如说，routine1和routine2的执行可以互相重叠，那么，就可以利用多线程。通常，拥有下面特点的程序就适合使用多线程：

• 多个任务可以并发执行某个工作，或者操作某项数据
• 可能会被很长的I/O操作阻塞
• 必须响应多个异步事件
• 某些工作比另外的更加重要（使用优先级中断）

有几个通用的多线程模式：

• 管理者/工作者：一个被称作管理者的独立线程将任务委派给多个工作线程。通常情况下，管理者线程会维护所有的输入。至少有两类通用的管理者/工作者模型：静态的工作者线程池和动态的工作者线程池。
• 管道：一个任务可以划分为多个子操作。每一个子操作被不同的线程执行，但是，整个任务还是序列化执行的。汽车装配流水线很形象地描述了这中模式。
• 同行：类似于管理者/工作者模型，不同的是，一个主线程创建了其他线程后，主线程也会参与任务的执行。

线程管理

 

创建和终止线程的接口有下面几种：

 

pthread_create (thread,attr,start_routine,arg)
pthread_exit (status)
pthread_cancel (thread)
pthread_attr_init (attr)
pthread_attr_destroy (attr)

 

一开始，main方法默认会创建一个独立的线程。其他的线程必须由程序员显式创建。可以在任何时候和任何地方创建一个新的线程。被创建的线程也可以创建新的线程。

 

Pthreads提供了多个接口被用于线程定义如何调度线程。例如，可以指定线程的调度使用FIFO(first in first out), RR(round-robin)或者OTHER(由操作系统来控制)的调度方案。Pthreads还提供了设置线程优先级的接口。

 

线程终止有多种途径：

 

• 线程正常结束自己的工作并返回。
• 线程调用了pthread_exit接口。
• 其他线程调用pthread_cancel取消该线程的运行。
• 宿主进程调用exec或者exit结束整个进程的运行。
• main方法结束。

pthread_exit并不会关闭打开的文件句柄，任何在线程中打开的文件都会一直保持打开状态，尽管线程已经中止。