linux多線程機制線程同步

　　

1．引言

　　目前,許多流行的多任務操作系統都提供線程機制,線程就是程序中的 單個順序控制流。利用多線程進行程序設計,就是將一個程序(進程)的任務劃分為執行的多個部分(線程) ,每一個線程為一個順序的單控制流,而所有線程都是併發執行的,這樣,多線程程序就可以實現并行計算,高效利用多處理器。線程可分為用戶級線程和內核級線 程兩種基本類型。用戶級線程不需要內核支持,可以在用戶程序中實現,線程調度、同步與互斥都需要用戶程序自己完成。內核級線程需要內核參與,由內核完成線 程調度並提供相應的系統調用,用戶程序可以通過這些介面函數對線程進行一定的控制和管理。Linux操作系統提供了LinuxThreads庫，它是符合POSIX1003.1c標準的內核級多線程函數庫。在linuxthreads庫中提供了一些多線程編程的關鍵函數，在多線程編程時應包括pthread.h文件。

　　2.LinuxThread中的關鍵庫函數

　　2.1線程的創建和終止

　　int pthread_create(pthread_t * pthread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine(*void)),void *arg);調用此函數可以創建一個新的線程，新線程創建后執行start_routine 指定的程序。其中參數attr是用戶希望創建線程的屬性，當為NULL時表示以默認的屬性創建線程。arg是向start_routine 傳遞的參數。當成功創建一個新的線程時，系統會自動為新線程分配一個線程ID號，並通過pthread 返回給調用者。

　　void pthread_exit(void *value_ptr);調用該函數可以退出線程，參數value_ptr是一個指向返回狀態值的指針。

　　2.2線程式控制制函數

　　pthread_self(void);為了區分線程，在線程創建時系統為其分配一個唯一的ID號，由pthread_create()返回給調用者，也可以通過pthread_self()獲取自己的線程ID。

　　Int pthread_join (pthread- t thread , void * *status);這個函數的作用是等待一個線程的結束。調用pthread_join()的線程將被掛起直到線程ID為參數thread 指定的線程終止。

　　int pthread_detach(pthread_t pthread);參數pthread代表的線程一旦終止，立即釋放調該線程佔有的所有資源。

　　2.3線程間的互斥

　　互斥量和臨界區類似，只有擁有互斥量的線程才具有訪問資源的許可權， 由於互斥對象只有一個，這就決定了任何情況下共享資源（代碼或變數）都不會被多個線程同時訪問。使用互斥不僅能夠在同一應用程序的不同線程中實現資源的安 全共享，而且可以在不同應用程序的線程之間實現對資源的安全共享。Linux中通過pthread_mutex_t來定義互斥體機制完成互斥操作。具體的操作函數如下

　　pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);初使化一個互斥體變數mutex，參數attr表示按照attr屬性創建互斥體變數mutex，如果參數attr為NULL，則以默認的方式創建。

　　pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);給一個互斥體變數上鎖，如果mutex指定的互斥體已經被鎖住，則調用線程將被阻塞直到擁有mutex的線程對mutex解鎖為止。

　　Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);對參數mutex指定的互斥體變數解鎖。

　　2.4線程間的同步

　　同步就是線程等待某一個事件的發生，當等待的事件發生時，被等待的線程和事件一起繼續執行。如果等待的事件未到達則掛起。在linux操作系統中是通過條件變數來實現同步的。

　　Pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,const pthread_cond_t *attr);這個函數按參數attr指定的屬性初使化一個條件變數cond。

　　Pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);等待一個事件（條件變數）的發生，發出調用的線程自動阻塞，直到相應的條件變數被置1。等待狀態的線程不佔用CPU時間。

　　pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);解除一個等待參數cond指定的條件變數的線程的阻塞狀態。

3．多線程編程的應用實例

　　在這裡利用多線程技術實現生產者和消費者問題，生產者線程向一緩衝區中寫數據， 消費者線程從緩衝區中讀取數據，由於生產者線程和消費者線程共享同一緩衝區，為了正確讀寫數據，在使用緩衝隊列時必須保持互斥。生產者線程和消費者線程必 須滿足：生產者寫入緩衝區的數目不能超過緩衝區容量，消費者讀取的數目不能超過生產者寫入的數目。在程序中使用了一個小技巧來判斷緩衝區是空還是滿。在初 始化時讀指針和寫指針為0;如果讀指針等於寫指針,則緩衝區是空的;如果(寫指針+ 1) % N 等於讀指針,則緩衝區是滿的,%表示取餘數,這時實際上有一個單元空出未用。下面是完整的程序段和註釋。

　　#include<stdio.h>

　　#include<pthread.h>

　　#define BUFFER_SIZE 8

　　struct prodcons {

　　int buffer[BUFFER_SIZE];

　　pthread_mutex_t lock;      //互斥LOCK

　　int readpos , writepos;

　　pthread_cond_t notempty;   //緩衝區非空條件判斷

　　pthread_cond_t notfull;    //緩衝區未滿條件判斷

　　};

　　void init(struct prodcons * b){

　　pthread_mutex_init(&b->lock,NULL);

　　pthread_cond_init(&b->notempty,NULL);

　　pthread_cond_init(&b->notfull,NULL);

　　b->readpos=0;

　　b->writepos=0;

　　}

　　void put(struct prodcons* b,int data){

　　pthread-_mutex_lock(&b->lock);

　　if((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos)

　　{

　　pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock) ;

　　}

　　b->buffer[b->writepos]=data;

　　b->writepos++;

　　if(b->writepos >= BUFFER_SIZE)

　　b->writepos=0;

　　pthread_cond_signal(&b->notempty);

　　pthread_mutex_unlock(&b->lock);

　　}

　　int get(struct prodcons *b){

　　int data;

pthread_mutex_lock(&b->lock);

　　if(b->writepos == b->readpos)

　　{

　　pthread_cond _wait(&b->notempty, &b->lock);

　　}

　　data = b->buffer[b->readpos];

　　b->readpos++;

　　if(b->readpos >= BUFFER_SIZE)

　　b->readpos=0;

　　pthread_cond_signal(&b->notfull);

　　pthread_mutex_unlock(&b->lock);

　　return data;

　　}

#define OVER (-1)

　　struct prodcons buffer;

　　void *producer(void *data)

　　{

　　int n;

　　for(n = 0; n < 10000; n++)

　　{

　　printf("%d \n", n) ;

　　put(&buffer, n);

　　}

　　put(&buffer, OVER);

　　return NULL;

　　}

　　void *consumer(void * data)

　　{

　　int d;

　　while(1)

　　{

　　d = get(&buffer);

　　if(d == OVER)

　　break;

　　printf("%d\n", d);

　　}

　　return NULL;

　　}

　　int main(void)

　　{

pthread_t th_a, th_b;

　　void *retval;

　　init(&buffer);

　　pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);

　　& nbsp;   pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);

　　pthread_join(th_a, &retval);

　　pthread_join(th_b, &retval);

　　return 0;

　　}

　　上 面的例子中，生產者負責將1到1000的整數寫入緩衝區，而消費者負責從同一個緩衝區中讀取寫入的整數並列印出來。因為生產者和消費者是兩個同時運行的線 程，並且要使用同一個緩衝區進行數據交換，因此必須利用一種機制進行同步。通過上面的例子我們可以看到，多線程的最大好處是，除堆棧之外，幾乎所有的數據 均是共享的，因此線程間的通訊效率很高；缺點：因為共享所有數據，從而非常容易導致線程之間互相破壞數據，這一點在編程時必須注意。

　　4.結束語

　　Linux中基於POSIX標準的很好的支持了多線程技術，它減少了程序併發執行時的系統開銷,提高了計算機的工作效率。在具體編程過程中要了解線程的間的關係,還要考慮共享數據的保護,在互斥和同步機制下保證代碼的高效運行，程序編譯時用gcc -D –REENTRANT -libpthread.xx.so filename.c編譯。

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