线程是有趣的

了解如何正确运用线程是每一个优秀程序员必备的素质。线程类似于进程。如同进程，线程由内核按时间分片进行管理。在单处理器系统中，内核使用时间分片来模拟线程的并发执行，这种方式和进程的相同。而在多处理器系统中，如同多个进程，线程实际上一样可以并发执行。

那么为什么对于大多数合作性任务，多线程比多个独立的进程更优越呢？这是因为，线程共享相同的内存空间。不同的线程可以存取内存中的同一个变量。所以，程序中的所有线程都可以读或写声明过的全局变量。如果曾用 fork() 编写过重要代码，就会认识到这个工具的重要性。为什么呢？虽然 fork() 允许创建多个进程，但它还会带来以下通信问题: 如何让多个进程相互通信，这里每个进程都有各自独立的内存空间。对这个问题没有一个简单的答案。虽然有许多不同种类的本地 IPC (进程间通信），但它们都遇到两个重要障碍：

• 强加了某种形式的额外内核开销，从而降低性能。
• 对于大多数情形，IPC 不是对于代码的“自然”扩展。通常极大地增加了程序的复杂性。

双重坏事: 开销和复杂性都非好事。如果曾经为了支持 IPC 而对程序大动干戈过，那么您就会真正欣赏线程提供的简单共享内存机制。由于所有的线程都驻留在同一内存空间，POSIX 线程无需进行开销大而复杂的长距离调用。只要利用简单的同步机制，程序中所有的线程都可以读取和修改已有的数据结构。而无需将数据经由文件描述符转储或挤入紧窄的共享内存空间。仅此一个原因，就足以让您考虑应该采用单进程/多线程模式而非多进程/单线程模式。

线程是快捷的

不仅如此。线程同样还是非常快捷的。与标准 fork() 相比，线程带来的开销很小。内核无需单独复制进程的内存空间或文件描述符等等。这就节省了大量的 CPU 时间，使得线程创建比新进程创建快上十到一百倍。因为这一点，可以大量使用线程而无需太过于担心带来的 CPU 或内存不足。使用 fork() 时导致的大量 CPU 占用也不复存在。这表示只要在程序中有意义，通常就可以创建线程。

当然，和进程一样，线程将利用多 CPU。如果软件是针对多处理器系统设计的，这就真的是一大特性（如果软件是开放源码，则最终可能在不少平台上运行）。特定类型线程程序（尤其是 CPU 密集型程序）的性能将随系统中处理器的数目几乎线性地提高。如果正在编写 CPU 非常密集型的程序，则绝对想设法在代码中使用多线程。一旦掌握了线程编码，无需使用繁琐的 IPC 和其它复杂的通信机制，就能够以全新和创造性的方法解决编码难题。所有这些特性配合在一起使得多线程编程更有趣、快速和灵活。

线程是可移植的

如果熟悉 Linux 编程，就有可能知道 __clone() 系统调用。__clone() 类似于 fork()，同时也有许多线程的特性。例如，使用 __clone()，新的子进程可以有选择地共享父进程的执行环境（内存空间，文件描述符等）。这是好的一面。但 __clone() 也有不足之处。正如__clone() 在线帮助指出：

“__clone 调用是特定于 Linux 平台的，不适用于实现可移植的程序。欲编写线程化应用程序（多线程控制同一内存空间），最好使用实现 POSIX 1003.1c 线程 API 的库，例如 Linux-Threads 库。参阅 pthread_create(3thr)。”

虽然 __clone() 有线程的许多特性，但它是不可移植的。当然这并不意味着代码中不能使用它。但在软件中考虑使用 __clone() 时应当权衡这一事实。值得庆幸的是，正如 __clone() 在线帮助指出，有一种更好的替代方案：POSIX 线程。如果想编写 可移植的 多线程代码，代码可运行于 Solaris、FreeBSD、Linux 和其它平台，POSIX 线程是一种当然之选。

第一个线程

下面是一个 POSIX 线程的简单示例程序：

thread1.c

要编译这个程序，只需先将程序存为 thread1.c，然后输入：

运行则输入：

理解 thread1.c

thread1.c 是一个非常简单的线程程序。虽然它没有实现什么有用的功能，但可以帮助理解线程的运行机制。下面，我们一步一步地了解这个程序是干什么的。main() 中声明了变量 mythread，类型是 pthread_t。pthread_t 类型在 pthread.h 中定义，通常称为“线程 id”（缩写为 "tid"）。可以认为它是一种线程句柄。

mythread 声明后（记住 mythread 只是一个 "tid"，或是将要创建的线程的句柄），调用 pthread_create 函数创建一个真实活动的线程。不要因为 pthread_create() 在 "if" 语句内而受其迷惑。由于 pthread_create() 执行成功时返回零而失败时则返回非零值，将 pthread_create() 函数调用放在 if() 语句中只是为了方便地检测失败的调用。让我们查看一下 pthread_create 参数。第一个参数 &mythread 是指向 mythread 的指针。第二个参数当前为 NULL，可用来定义线程的某些属性。由于缺省的线程属性是适用的，只需将该参数设为 NULL。

第三个参数是新线程启动时调用的函数名。本例中，函数名为 thread_function()。当 thread_function() 返回时，新线程将终止。本例中，线程函数没有实现大的功能。它仅将 "Thread says hi!" 输出 20 次然后退出。注意 thread_function() 接受 void * 作为参数，同时返回值的类型也是 void *。这表明可以用 void * 向新线程传递任意类型的数据，新线程完成时也可返回任意类型的数据。那如何向线程传递一个任意参数？很简单。只要利用 pthread_create() 中的第四个参数。本例中，因为没有必要将任何数据传给微不足道的 thread_function()，所以将第四个参数设为 NULL。

您也许已推测到，在 pthread_create() 成功返回之后，程序将包含两个线程。等一等， 两个 线程？我们不是只创建了一个线程吗？不错，我们只创建了一个进程。但是主程序同样也是一个线程。可以这样理解：如果编写的程序根本没有使用 POSIX 线程，则该程序是单线程的（这个单线程称为“主”线程）。创建一个新线程之后程序总共就有两个线程了。

我想此时您至少有两个重要问题。第一个问题，新线程创建之后主线程如何运行。答案，主线程按顺序继续执行下一行程序（本例中执行 "if (pthread_join(...))"）。第二个问题，新线程结束时如何处理。答案，新线程先停止，然后作为其清理过程的一部分，等待与另一个线程合并或“连接”。

现在，来看一下 pthread_join()。正如 pthread_create() 将一个线程拆分为两个， pthread_join() 将两个线程合并为一个线程。pthread_join() 的第一个参数是 tid mythread。第二个参数是指向 void 指针的指针。如果 void 指针不为 NULL，pthread_join 将线程的 void * 返回值放置在指定的位置上。由于我们不必理会 thread_function() 的返回值，所以将其设为 NULL.

您会注意到 thread_function() 花了 20 秒才完成。在 thread_function() 结束很久之前，主线程就已经调用了 pthread_join()。如果发生这种情况，主线程将中断（转向睡眠）然后等待 thread_function() 完成。当 thread_function() 完成后, pthread_join() 将返回。这时程序又只有一个主线程。当程序退出时，所有新线程已经使用 pthread_join() 合并了。这就是应该如何处理在程序中创建的每个新线程的过程。如果没有合并一个新线程，则它仍然对系统的最大线程数限制不利。这意味着如果未对线程做正确的清理，最终会导致 pthread_create() 调用失败。

无父，无子

如果使用过 fork() 系统调用，可能熟悉父进程和子进程的概念。当用 fork() 创建另一个新进程时，新进程是子进程，原始进程是父进程。这创建了可能非常有用的层次关系，尤其是等待子进程终止时。例如，waitpid() 函数让当前进程等待所有子进程终止。waitpid() 用来在父进程中实现简单的清理过程。

而 POSIX 线程就更有意思。您可能已经注意到我一直有意避免使用“父线程”和“子线程”的说法。这是因为 POSIX 线程中不存在这种层次关系。虽然主线程可以创建一个新线程，新线程可以创建另一个新线程，POSIX 线程标准将它们视为等同的层次。所以等待子线程退出的概念在这里没有意义。POSIX 线程标准不记录任何“家族”信息。缺少家族信息有一个主要含意：如果要等待一个线程终止，就必须将线程的 tid 传递给 pthread_join()。线程库无法为您断定 tid。

对大多数开发者来说这不是个好消息，因为这会使有多个线程的程序复杂化。不过不要为此担忧。POSIX 线程标准提供了有效地管理多个线程所需要的所有工具。实际上，没有父/子关系这一事实却为在程序中使用线程开辟了更创造性的方法。例如，如果有一个线程称为线程 1，线程 1 创建了称为线程 2 的线程，则线程 1 自己没有必要调用 pthread_join() 来合并线程 2，程序中其它任一线程都可以做到。当编写大量使用线程的代码时，这就可能允许发生有趣的事情。例如，可以创建一个包含所有已停止线程的全局“死线程列表”，然后让一个专门的清理线程专等停止的线程加到列表中。这个清理线程调用 pthread_join() 将刚停止的线程与自己合并。现在，仅用一个线程就巧妙和有效地处理了全部清理。

同步漫游

现在我们来看一些代码，这些代码做了一些意想不到的事情。thread2.c 的代码如下：

thread2.c

理解 thread2.c

如同第一个程序，这个程序创建一个新线程。主线程和新线程都将全局变量 myglobal 加一 20 次。但是程序本身产生了某些意想不到的结果。编译代码请输入：

运行请输入：

输出：

非常意外吧！因为 myglobal 从零开始，主线程和新线程各自对其进行了 20 次加一, 程序结束时 myglobal 值应当等于 40。由于 myglobal 输出结果为 21，这其中肯定有问题。但是究竟是什么呢？

放弃吗？好，让我来解释是怎么一回事。首先查看函数 thread_function()。注意如何将 myglobal 复制到局部变量 "j" 了吗? 接着将 j 加一, 再睡眠一秒，然后到这时才将新的 j 值复制到 myglobal？这就是关键所在。设想一下，如果主线程就在新线程将 myglobal 值复制给 j 后 立即将 myglobal 加一，会发生什么？当 thread_function() 将 j 的值写回 myglobal 时，就覆盖了主线程所做的修改。

当编写线程程序时，应避免产生这种无用的副作用，否则只会浪费时间（当然，除了编写关于 POSIX 线程的文章时有用）。那么，如何才能排除这种问题呢？

由于是将 myglobal 复制给 j 并且等了一秒之后才写回时产生问题，可以尝试避免使用临时局部变量并直接将 myglobal 加一。虽然这种解决方案对这个特定例子适用，但它还是不正确。如果我们对 myglobal 进行相对复杂的数学运算，而不是简单的加一，这种方法就会失效。但是为什么呢？

要理解这个问题，必须记住线程是并发运行的。即使在单处理器系统上运行（内核利用时间分片模拟多任务）也是可以的，从程序员的角度，想像两个线程是同时执行的。thread2.c 出现问题是因为 thread_function() 依赖以下论据：在 myglobal 加一之前的大约一秒钟期间不会修改 myglobal。需要有些途径让一个线程在对 myglobal 做更改时通知其它线程“不要靠近”。我将在下一篇文章中讲解如何做到这一点。到时候见。

相关主题

• 参阅 Linux threads中的文档，Sean Walton, KB7rfa
• 在 An Introduction to Pthreads-Tcl 中，查看对 Tcl 的更改以使其能够使用 POSIX 线程
• 使用友好的 Linux pthread 在线帮助 ("man -k pthread")
• 参考 POSIX and DCE threads for Linux主页
• 查看 The LinuxThreads Library
• Proolix ，一种简单遵从 POSIX 标准的操作系统，用于 i8086+，一直在开发中
• 阅读 David R. Butenhof 的著作 Programming with POSIX Threads，书中讨论了许多问题，其中谈到不使用互斥对象是可能出现的种种情况
  
  

  互斥我吧！

  在 前一篇文章中 ，谈到了会导致异常结果的线程代码。两个线程分别对同一个全局变量进行了二十次加一。变量的值最后应该是 40，但最终值却是 21。这是怎么回事呢？因为一个线程不停地“取消”了另一个线程执行的加一操作，所以产生这个问题。现在让我们来查看改正后的代码，它使用 互斥对象(mutex)来解决该问题：

  thread3.c

  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

  #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int myglobal; pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  void *thread_function(void *arg) {   int i,j;   for ( i=0; i<20; i++) {     pthread_mutex_lock(&mymutex);     j=myglobal;     j=j+1;     printf(".");     fflush(stdout);     sleep(1);     myglobal=j;     pthread_mutex_unlock(&mymutex);   }   return NULL; } int main(void) {   pthread_t mythread;   int i;   if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) {     printf("error creating thread.");     abort();   }   for ( i=0; i<20; i++) {     pthread_mutex_lock(&mymutex);     myglobal=myglobal+1;     pthread_mutex_unlock(&mymutex);     printf("o");     fflush(stdout);     sleep(1);   }   if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) {     printf("error joining thread.");     abort();   }   printf("\nmyglobal equals %d\n",myglobal);   exit(0); }

  解读一下

  如果将这段代码与 前一篇文章 中给出的版本作一个比较，就会注意到增加了 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 函数调用。在线程程序中这些调用执行了不可或缺的功能。他们提供了一种 相互排斥的方法（互斥对象即由此得名）。两个线程不能同时对同一个互斥对象加锁。

  互斥对象是这样工作的。如果线程 a 试图锁定一个互斥对象，而此时线程 b 已锁定了同一个互斥对象时，线程 a 就将进入睡眠状态。一旦线程 b 释放了互斥对象（通过 pthread_mutex_unlock() 调用），线程 a 就能够锁定这个互斥对象（换句话说，线程 a 就将从 pthread_mutex_lock() 函数调用中返回，同时互斥对象被锁定）。同样地，当线程 a 正锁定互斥对象时，如果线程 c 试图锁定互斥对象的话，线程 c 也将临时进入睡眠状态。对已锁定的互斥对象上调用 pthread_mutex_lock() 的所有线程都将进入睡眠状态，这些睡眠的线程将“排队”访问这个互斥对象。

  通常使用 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 来保护数据结构。这就是说，通过线程的锁定和解锁，对于某一数据结构，确保某一时刻只能有一个线程能够访问它。可以推测到，当线程试图锁定一个未加锁的互斥对象时，POSIX 线程库将同意锁定，而不会使线程进入睡眠状态。

  请看这幅轻松的漫画，四个小精灵重现了最近一次 pthread_mutex_lock() 调用的一个场面。

  

  图中，锁定了互斥对象的线程能够存取复杂的数据结构，而不必担心同时会有其它线程干扰。那个数据结构实际上是“冻结”了，直到互斥对象被解锁为止。pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 函数调用，如同“在施工中”标志一样，将正在修改和读取的某一特定共享数据包围起来。这两个函数调用的作用就是警告其它线程，要它们继续睡眠并等待轮到它们对互斥对象加锁。当然，除非在 每个 对特定数据结构进行读写操作的语句前后，都分别放上 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutext_unlock() 调用，才会出现这种情况。

  为什么要用互斥对象？

  听上去很有趣，但究竟为什么要让线程睡眠呢？要知道，线程的主要优点不就是其具有独立工作、更多的时候是同时工作的能力吗？是的，确实是这样。然而，每个重要的线程程序都需要使用某些互斥对象。让我们再看一下示例程序以便理解原因所在。

  请看 thread_function()，循环中一开始就锁定了互斥对象，最后才将它解锁。在这个示例程序中，mymutex 用来保护 myglobal 的值。仔细查看 thread_function()，加一代码把 myglobal 复制到一个局部变量，对局部变量加一，睡眠一秒钟，在这之后才把局部变量的值传回给 myglobal。不使用互斥对象时，即使主线程在 thread_function() 线程睡眠一秒钟期间内对 myglobal 加一，thread_function() 苏醒后也会覆盖主线程所加的值。使用互斥对象能够保证这种情形不会发生。（您也许会想到，我增加了一秒钟延迟以触发不正确的结果。把局部变量的值赋给 myglobal 之前，实际上没有什么真正理由要求 thread_function() 睡眠一秒钟。）使用互斥对象的新程序产生了期望的结果：

  1 2 3

  $ ./thread3 o..o..o.o..o..o.o.o.o.o..o..o..o.ooooooo myglobal equals 40

  为了进一步探索这个极为重要的概念，让我们看一看程序中进行加一操作的代码：

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  thread_function() 加一代码：     j=myglobal;     j=j+1;     printf(".");     fflush(stdout);     sleep(1);     myglobal=j; 主线程加一代码：     myglobal=myglobal+1;

  如果代码是位于单线程程序中，可以预期 thread_function() 代码将完整执行。接下来才会执行主线程代码（或者是以相反的顺序执行）。在不使用互斥对象的线程程序中，代码可能（几乎是，由于调用了 sleep() 的缘故）以如下的顺序执行：

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  thread_function() 线程        主线程 j=myglobal; j=j+1; printf("."); fflush(stdout); sleep(1);                     myglobal=myglobal+1; myglobal=j;

  当代码以此特定顺序执行时，将覆盖主线程对 myglobal 的修改。程序结束后，就将得到不正确的值。如果是在操纵指针的话，就可能产生段错误。注意到 thread_function() 线程按顺序执行了它的所有指令。看来不象是 thread_function() 有什么次序颠倒。问题是，同一时间内，另一个线程对同一数据结构进行了另一个修改。

  线程内幕 1

  在解释如何确定在何处使用互斥对象之前，先来深入了解一下线程的内部工作机制。请看第一个例子：

  假设主线程将创建三个新线程：线程 a、线程 b 和线程 c。假定首先创建线程 a，然后是线程 b，最后创建线程 c。

  1 2 3

  pthread_create( &thread_a, NULL, thread_function, NULL); pthread_create( &thread_b, NULL, thread_function, NULL); pthread_create( &thread_c, NULL, thread_function, NULL);

  在第一个 pthread_create() 调用完成后，可以假定线程 a 不是已存在就是已结束并停止。第二个 pthread_create() 调用后，主线程和线程 b 都可以假定线程 a 存在（或已停止）。

  然而，就在第二个 create() 调用返回后，主线程无法假定是哪一个线程（a 或 b）会首先开始运行。虽然两个线程都已存在，线程 CPU 时间片的分配取决于内核和线程库。至于谁将首先运行，并没有严格的规则。尽管线程 a 更有可能在线程 b 之前开始执行，但这并无保证。对于多处理器系统，情况更是如此。如果编写的代码假定在线程 b 开始执行之前实际上执行线程 a 的代码，那么，程序最终正确运行的概率是 99%。或者更糟糕，程序在您的机器上 100% 地正确运行，而在您客户的四处理器服务器上正确运行的概率却是零。

  从这个例子还可以得知，线程库保留了每个单独线程的代码执行顺序。换句话说，实际上那三个 pthread_create() 调用将按它们出现的顺序执行。从主线程上来看，所有代码都是依次执行的。有时，可以利用这一点来优化部分线程程序。例如，在上例中，线程 c 就可以假定线程 a 和线程 b 不是正在运行就是已经终止。它不必担心存在还没有创建线程 a 和线程 b 的可能性。可以使用这一逻辑来优化线程程序。

  线程内幕 2

  现在来看另一个假想的例子。假设有许多线程，他们都正在执行下列代码：

  1	myglobal=myglobal+1;

  那么，是否需要在加一操作语句前后分别锁定和解锁互斥对象呢？也许有人会说“不”。编译器极有可能把上述赋值语句编译成一条机器指令。大家都知道，不可能"半途"中断一条机器指令。即使是硬件中断也不会破坏机器指令的完整性。基于以上考虑，很可能倾向于完全省略 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 调用。不要这样做。

  我在说废话吗？不完全是这样。首先，不应该假定上述赋值语句一定会被编译成一条机器指令，除非亲自验证了机器代码。即使插入某些内嵌汇编语句以确保加一操作的完整执行――甚至，即使是自己动手写编译器！-- 仍然可能有问题。

  答案在这里。使用单条内嵌汇编操作码在单处理器系统上可能不会有什么问题。每个加一操作都将完整地进行，并且多半会得到期望的结果。但是多处理器系统则截然不同。在多 CPU 机器上，两个单独的处理器可能会在几乎同一时刻（或者，就在同一时刻）执行上述赋值语句。不要忘了，这时对内存的修改需要先从 L1 写入 L2 高速缓存、然后才写入主存。（SMP 机器并不只是增加了处理器而已；它还有用来仲裁对 RAM 存取的特殊硬件。）最终，根本无法搞清在写入主存的竞争中，哪个 CPU 将会"胜出"。要产生可预测的代码，应使用互斥对象。互斥对象将插入一道"内存关卡"，由它来确保对主存的写入按照线程锁定互斥对象的顺序进行。

  考虑一种以 32 位块为单位更新主存的 SMP 体系结构。如果未使用互斥对象就对一个 64 位整数进行加一操作，整数的最高 4 位字节可能来自一个 CPU，而其它 4 个字节却来自另一 CPU。糟糕吧！最糟糕的是，使用差劲的技术，您的程序在重要客户的系统上有可能不是很长时间才崩溃一次，就是早上三点钟就崩溃。David R. Butenhof 在他的《POSIX 线程编程》（请参阅本文末尾的 参考资料部分）一书中，讨论了由于未使用互斥对象而将产生的种种情况。

  许多互斥对象

  如果放置了过多的互斥对象，代码就没有什么并发性可言，运行起来也比单线程解决方案慢。如果放置了过少的互斥对象，代码将出现奇怪和令人尴尬的错误。幸运的是，有一个中间立场。首先，互斥对象是用于串行化存取*共享数据*。不要对非共享数据使用互斥对象，并且，如果程序逻辑确保任何时候都只有一个线程能存取特定数据结构，那么也不要使用互斥对象。

  其次，如果要使用共享数据，那么在读、写共享数据时都应使用互斥对象。用 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 把读写部分保护起来，或者在程序中不固定的地方随机使用它们。学会从一个线程的角度来审视代码，并确保程序中每一个线程对内存的观点都是一致和合适的。为了熟悉互斥对象的用法，最初可能要花好几个小时来编写代码，但是很快就会习惯并且*也*不必多想就能够正确使用它们。

  使用调用：初始化

  现在该来看看使用互斥对象的各种不同方法了。让我们从初始化开始。在 thread3.c 示例 中，我们使用了静态初始化方法。这需要声明一个 pthread_mutex_t 变量，并赋给它常数 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：

  1	pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

  很简单吧。但是还可以动态地创建互斥对象。当代码使用 malloc() 分配一个新的互斥对象时，使用这种动态方法。此时，静态初始化方法是行不通的，并且应当使用例程 pthread_mutex_init()：

  1	int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *mymutex, const pthread_mutexattr_t *attr)

  正如所示，pthread_mutex_init 接受一个指针作为参数以初始化为互斥对象，该指针指向一块已分配好的内存区。第二个参数，可以接受一个可选的 pthread_mutexattr_t 指针。这个结构可用来设置各种互斥对象属性。但是通常并不需要这些属性，所以正常做法是指定 NULL。

  一旦使用 pthread_mutex_init() 初始化了互斥对象，就应使用 pthread_mutex_destroy() 消除它。pthread_mutex_destroy() 接受一个指向 pthread_mutext_t 的指针作为参数，并释放创建互斥对象时分配给它的任何资源。请注意， pthread_mutex_destroy() 不会 释放用来存储 pthread_mutex_t 的内存。释放自己的内存完全取决于您。还必须注意一点，pthread_mutex_init() 和 pthread_mutex_destroy() 成功时都返回零。

  使用调用：锁定

  1	pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)

  pthread_mutex_lock() 接受一个指向互斥对象的指针作为参数以将其锁定。如果碰巧已经锁定了互斥对象，调用者将进入睡眠状态。函数返回时，将唤醒调用者（显然）并且调用者还将保留该锁。函数调用成功时返回零，失败时返回非零的错误代码。

  1	pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

  pthread_mutex_unlock() 与 pthread_mutex_lock() 相配合，它把线程已经加锁的互斥对象解锁。始终应该尽快对已加锁的互斥对象进行解锁（以提高性能）。并且绝对不要对您未保持锁的互斥对象进行解锁操作（否则，pthread_mutex_unlock() 调用将失败并带一个非零的 EPERM 返回值）。

  1	pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)

  当线程正在做其它事情的时候（由于互斥对象当前是锁定的），如果希望锁定互斥对象，这个调用就相当方便。调用 pthread_mutex_trylock() 时将尝试锁定互斥对象。如果互斥对象当前处于解锁状态，那么您将获得该锁并且函数将返回零。然而，如果互斥对象已锁定，这个调用也不会阻塞。当然，它会返回非零的 EBUSY 错误值。然后可以继续做其它事情，稍后再尝试锁定。

  等待条件发生

  互斥对象是线程程序必需的工具，但它们并非万能的。例如，如果线程正在等待共享数据内某个条件出现，那会发生什么呢？代码可以反复对互斥对象锁定和解锁，以检查值的任何变化。同时，还要快速将互斥对象解锁，以便其它线程能够进行任何必需的更改。这是一种非常可怕的方法，因为线程需要在合理的时间范围内频繁地循环检测变化。

  在每次检查之间，可以让调用线程短暂地进入睡眠，比如睡眠三秒钟，但是因此线程代码就无法最快作出响应。真正需要的是这样一种方法，当线程在等待满足某些条件时使线程进入睡眠状态。一旦条件满足，还需要一种方法以唤醒因等待满足特定条件而睡眠的线程。如果能够做到这一点，线程代码将是非常高效的，并且不会占用宝贵的互斥对象锁。这正是 POSIX 条件变量能做的事！

  而 POSIX 条件变量将是我下一篇文章的主题，其中将说明如何正确使用条件变量。到那时，您将拥有了创建复杂线程程序所需的全部资源，那些线程程序可以模拟工作人员、装配线等等。既然您已经越来越熟悉线程，我将在下一篇文章中加快进度。这样，在下一篇文章的结尾就能放上一个相对复杂的线程程序。说到等到条件产生，下次再见！

  相关主题

  • 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文.
  • 请参阅 Linux 线程中的文档，Sean Walton, KB7rfa
  • POSIX 线程 教程 ，Mark Hays，亚里桑那大学
  • 在 Pthreads-Tcl 介绍中，查看对 Tcl 的更改以使其能够使用 POSIX 线程
  • 使用友好的 Linux pthread 在线帮助 ("man -k pthread")
  • 参考 LINUX POSIX 和 DCE 线程主页
  • 查看 LinuxThreads 资料库
  • Proolix ，一种简单遵从 POSIX 标准的操作系统，用于 i8086+，一直在开发中
  • 阅读 David R. Butenhof 的著作 POSIX 线程编程指南，书中讨论了许多问题，其中谈到不使用互斥对象是可能出现的种种情况
  • 查阅 W. Richard Stevens 的著作 UNIX 网络编程：网络 API：Sockets 和 XTI，第 1 卷
    
    
    

    条件变量详解

    在 上一篇文章结束时，我描述了一个比较特殊的难题：如果线程正在等待某个特定条件发生，它应该如何处理这种情况？它可以重复对互斥对象锁定和解锁，每次都会检查共享数据结构，以查找某个值。但这是在浪费时间和资源，而且这种繁忙查询的效率非常低。解决这个问题的最佳方法是使用 pthread_cond_wait() 调用来等待特殊条件发生。

    了解 pthread_cond_wait() 的作用非常重要 -- 它是 POSIX 线程信号发送系统的核心，也是最难以理解的部分。

    首先，让我们考虑以下情况：线程为查看已链接列表而锁定了互斥对象，然而该列表恰巧是空的。这一特定线程什么也干不了 -- 其设计意图是从列表中除去节点，但是现在却没有节点。因此，它只能：

    锁定互斥对象时，线程将调用 pthread_cond_wait(&mycond,&mymutex)。pthread_cond_wait() 调用相当复杂，因此我们每次只执行它的一个操作。

    pthread_cond_wait() 所做的第一件事就是同时对互斥对象解锁（于是其它线程可以修改已链接列表），并等待条件 mycond 发生（这样当 pthread_cond_wait() 接收到另一个线程的“信号”时，它将苏醒）。现在互斥对象已被解锁，其它线程可以访问和修改已链接列表，可能还会添加项。

    此时，pthread_cond_wait() 调用还未返回。对互斥对象解锁会立即发生，但等待条件 mycond 通常是一个阻塞操作，这意味着线程将睡眠，在它苏醒之前不会消耗 CPU 周期。这正是我们期待发生的情况。线程将一直睡眠，直到特定条件发生，在这期间不会发生任何浪费 CPU 时间的繁忙查询。从线程的角度来看，它只是在等待 pthread_cond_wait() 调用返回。

    现在继续说明，假设另一个线程（称作“2 号线程”）锁定了 mymutex 并对已链接列表添加了一项。在对互斥对象解锁之后，2 号线程会立即调用函数 pthread_cond_broadcast(&mycond)。此操作之后，2 号线程将使所有等待 mycond 条件变量的线程立即苏醒。这意味着第一个线程（仍处于 pthread_cond_wait() 调用中）现在将苏醒。

    现在，看一下第一个线程发生了什么。您可能会认为在 2 号线程调用 pthread_cond_broadcast(&mymutex) 之后，1 号线程的 pthread_cond_wait() 会立即返回。不是那样！实际上，pthread_cond_wait() 将执行最后一个操作：重新锁定 mymutex。一旦 pthread_cond_wait() 锁定了互斥对象，那么它将返回并允许 1 号线程继续执行。那时，它可以马上检查列表，查看它所感兴趣的更改。

    停止并回顾！

    那个过程非常复杂，因此让我们先来回顾一下。第一个线程首先调用：

    1	pthread_mutex_lock(&mymutex);

    然后，它检查了列表。没有找到感兴趣的东西，于是它调用：

    1	pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

    然后，pthread_cond_wait() 调用在返回前执行许多操作：

    1	pthread_mutex_unlock(&mymutex);

    它对 mymutex 解锁，然后进入睡眠状态，等待 mycond 以接收 POSIX 线程“信号”。一旦接收到“信号”（加引号是因为我们并不是在讨论传统的 UNIX 信号，而是来自 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 调用的信号），它就会苏醒。但 pthread_cond_wait() 没有立即返回 -- 它还要做一件事：重新锁定 mutex：

    1	pthread_mutex_lock(&mymutex);

    pthread_cond_wait() 知道我们在查找 mymutex “背后”的变化，因此它继续操作，为我们锁定互斥对象，然后才返回。

    pthread_cond_wait() 小测验

    现在已回顾了 pthread_cond_wait() 调用，您应该了解了它的工作方式。应该能够叙述 pthread_cond_wait() 依次执行的所有操作。尝试一下。如果理解了 pthread_cond_wait()，其余部分就相当容易，因此请重新阅读以上部分，直到记住为止。好，读完之后，能否告诉我在调用 pthread_cond_wait() 之 前，互斥对象必须处于什么状态？pthread_cond_wait() 调用返回之后，互斥对象处于什么状态？这两个问题的答案都是“锁定”。既然已经完全理解了 pthread_cond_wait() 调用，现在来继续研究更简单的东西 -- 初始化和真正的发送信号和广播进程。到那时，我们将会对包含了多线程工作队列的 C 代码了如指掌。

    初始化和清除

    条件变量是一个需要初始化的真实数据结构。以下就初始化的方法。首先，定义或分配一个条件变量，如下所示：

    1	pthread_cond_t mycond;

    然后，调用以下函数进行初始化：

    1	pthread_cond_init(&mycond,NULL);

    瞧，初始化完成了！在释放或废弃条件变量之前，需要毁坏它，如下所示：

    1	pthread_cond_destroy(&mycond);

    很简单吧。接着讨论 pthread_cond_wait() 调用。

    等待

    一旦初始化了互斥对象和条件变量，就可以等待某个条件，如下所示：

    1	pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

    请注意，代码在逻辑上应该包含 mycond 和 mymutex。一个特定条件只能有一个互斥对象，而且条件变量应该表示互斥数据“内部”的一种特殊的条件更改。一个互斥对象可以用许多条件变量（例如，cond_empty、cond_full、cond_cleanup），但每个条件变量只能有一个互斥对象。

    发送信号和广播

    对于发送信号和广播，需要注意一点。如果线程更改某些共享数据，而且它想要唤醒所有正在等待的线程，则应使用 pthread_cond_broadcast 调用，如下所示：

    1	pthread_cond_broadcast(&mycond);

    在某些情况下，活动线程只需要唤醒第一个正在睡眠的线程。假设您只对队列添加了一个工作作业。那么只需要唤醒一个工作程序线程（再唤醒其它线程是不礼貌的！）：

    1	pthread_cond_signal(&mycond);

    此函数只唤醒一个线程。如果 POSIX 线程标准允许指定一个整数，可以让您唤醒一定数量的正在睡眠的线程，那就更完美了。但是很可惜，我没有被邀请参加会议。

    工作组

    我将演示如何创建多线程工作组。在这个方案中，我们创建了许多工作程序线程。每个线程都会检查 wq（“工作队列”），查看是否有需要完成的工作。如果有需要完成的工作，那么线程将从队列中除去一个节点，执行这些特定工作，然后等待新的工作到达。

    与此同时，主线程负责创建这些工作程序线程、将工作添加到队列，然后在它退出时收集所有工作程序线程。您将会遇到许多 C 代码，好好准备吧！

    队列

    需要队列是出于两个原因。首先，需要队列来保存工作作业。还需要可用于跟踪已终止线程的数据结构。还记得前几篇文章（请参阅本文结尾处的 参考资料）中，我曾提到过需要使用带有特定进程标识的 pthread_join 吗？使用“清除队列”（称作 "cq"）可以解决无法等待 任何已终止线程的问题（稍后将详细讨论这个问题）。以下是标准队列代码。将此代码保存到文件 queue.h 和 queue.c：

    queue.h

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    /* queue.h ** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc. ** Author: Daniel Robbins ** Date: 16 Jun 2000 */ typedef struct node {   struct node *next; } node; typedef struct queue {   node *head, *tail; } queue; void queue_init(queue *myroot); void queue_put(queue *myroot, node *mynode); node *queue_get(queue *myroot);

    queue.c

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    /* queue.c ** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc. ** Author: Daniel Robbins ** Date: 16 Jun 2000 ** ** This set of queue functions was originally thread-aware.  I ** redesigned the code to make this set of queue routines ** thread-ignorant (just a generic, boring yet very fast set of queue ** routines).  Why the change?  Because it makes more sense to have ** the thread support as an optional add-on.  Consider a situation ** where you want to add 5 nodes to the queue.  With the ** thread-enabled version, each call to queue_put() would ** automatically lock and unlock the queue mutex 5 times -- that's a ** lot of unnecessary overhead.  However, by moving the thread stuff ** out of the queue routines, the caller can lock the mutex once at ** the beginning, then insert 5 items, and then unlock at the end. ** Moving the lock/unlock code out of the queue functions allows for ** optimizations that aren't possible otherwise.  It also makes this ** code useful for non-threaded applications. ** ** We can easily thread-enable this data structure by using the ** data_control type defined in control.c and control.h.  */ #include <stdio.h> #include "queue.h" void queue_init(queue *myroot) {   myroot->head=NULL;   myroot->tail=NULL; } void queue_put(queue *myroot,node *mynode) {   mynode->next=NULL;   if (myroot->tail!=NULL)     myroot->tail->next=mynode;   myroot->tail=mynode;   if (myroot->:head==NULL)     myroot->head=mynode; } node *queue_get(queue *myroot) {   //get from root   node *mynode;   mynode=myroot->head;   if (myroot->head!=NULL)     myroot->head=myroot->head->next;   return mynode; }

    data_control 代码

    我编写的并不是线程安全的队列例程，事实上我创建了一个“数据包装”或“控制”结构，它可以是任何线程支持的数据结构。看一下 control.h：

    control.h

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    #include typedef struct data_control {   pthread_mutex_t mutex;   pthread_cond_t cond;   int active; } data_control;

    现在您看到了 data_control 结构定义，以下是它的视觉表示：

    所使用的 data_control 结构

    

    图像中的锁代表互斥对象，它允许对数据结构进行互斥访问。黄色的星代表条件变量，它可以睡眠，直到所讨论的数据结构改变为止。on/off 开关表示整数 "active"，它告诉线程此数据是否是活动的。在代码中，我使用整数 active 作为标志，告诉工作队列何时应该关闭。以下是 control.c：

    control.c

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    /* control.c ** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc. ** Author: Daniel Robbins ** Date: 16 Jun 2000 ** ** These routines provide an easy way to make any type of ** data-structure thread-aware.  Simply associate a data_control ** structure with the data structure (by creating a new struct, for ** example).  Then, simply lock and unlock the mutex, or ** wait/signal/broadcast on the condition variable in the data_control ** structure as needed. ** ** data_control structs contain an int called "active".  This int is ** intended to be used for a specific kind of multithreaded design, ** where each thread checks the state of "active" every time it locks ** the mutex.  If active is 0, the thread knows that instead of doing ** its normal routine, it should stop itself.  If active is 1, it ** should continue as normal.  So, by setting active to 0, a ** controlling thread can easily inform a thread work crew to shut ** down instead of processing new jobs.  Use the control_activate() ** and control_deactivate() functions, which will also broadcast on ** the data_control struct's condition variable, so that all threads ** stuck in pthread_cond_wait() will wake up, have an opportunity to ** notice the change, and then terminate. */ #include "control.h" int control_init(data_control *mycontrol) {   int mystatus;   if (pthread_mutex_init(&(mycontrol->mutex),NULL))     return 1;   if (pthread_cond_init(&(mycontrol->cond),NULL))     return 1;   mycontrol->active=0;   return 0; } int control_destroy(data_control *mycontrol) {   int mystatus;   if (pthread_cond_destroy(&(mycontrol->cond)))     return 1;   if (pthread_cond_destroy(&(mycontrol->cond)))     return 1;   mycontrol->active=0;   return 0; } int control_activate(data_control *mycontrol) {   int mystatus;   if (pthread_mutex_lock(&(mycontrol->mutex)))     return 0;   mycontrol->active=1;   pthread_mutex_unlock(&(mycontrol->mutex));   pthread_cond_broadcast(&(mycontrol->cond));   return 1; } int control_deactivate(data_control *mycontrol) {   int mystatus;   if (pthread_mutex_lock(&(mycontrol->mutex)))     return 0;   mycontrol->active=0;   pthread_mutex_unlock(&(mycontrol->mutex));   pthread_cond_broadcast(&(mycontrol->cond));   return 1; }

    调试时间

    在开始调试之前，还需要一个文件。以下是 dbug.h：

    dbug.h