《Operating Systems: Three Easy Pieces》学习笔记(二十一) 插叙：线程 API

pthread 库介绍

线程创建

#include <pthread.h>
int
pthread_create(
    pthread_t * thread,
    const pthread_attr_t * attr,
    void * (*start_routine)(void*),
    void * arg
);

thread

指向 pthread_t 结构类型的指针，我们将利用这个结构与该线程交互，因此需要将它传入 pthread_create()，以便将它初始化。相当于该线程的身份证

attr

指定该线程可能具有的任何属性。包括设置栈大小，或关于该线程调度优先级的信息等

*start_routine

一个函数指针（function pointer）,指向要运行的函数

arg

要运行的函数的参数

线程完成

通过pthread_join阻塞等待线程完成

pthread_create(&p, NULL, mythread, (void *) 100); pthread_join(p, (void **) &m);

锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 或是int rc = pthread_mutex_init(&lock, NULL);
pthread_mutex_lock(&lock);
x = x + 1; // or whatever your critical section is
pthread_mutex_unlock(&lock);

创建一个临界区

如果另一个线程确实持有该锁，那么尝试获取该锁的线程将不会从该调用返回(阻塞等待)，直到获得该锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex,
                            struct timespec *abs_timeout);

这两个调用用于获取锁(非阻塞获取锁)。如果锁已被占用，则 trylock 版本将失败。获取锁的 timedlock 定版本会在超时或获取锁后返回，以先发生者为准。通常应避免使用这两种版本

条件变量(Condition Variables)

不同于信号量(semaphore)，信号量应该是条件变量+互斥锁的组合，见此文

当线程之间必须发生某种信号时，如果一个线程在等待另一个线程继续执行某些操作，条件变量就很有用。

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

要使用条件变量，必须另外有一个与此条件相关的锁。在调用上述任何一个函数时，应该持有这个锁。

第一个函数pthread_cond_wait()使调用线程进入休眠状态，因此等待其他线程发出信号，通常当程序中的某些内容发生变化时，现在正在休眠的线程可能会关心它。典型的用法如下所示：

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&lock);
while (ready == 0)
    pthread_cond_wait(&cond, &lock);
pthread_mutex_unlock(&lock);

唤醒线程的代码运行在另外某个线程中，调用pthread_cond_signal时也需要持有对应锁。像下面这样：

pthread_mutex_lock(&lock);
ready = 1;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&lock);

pthread_cond_wait有第二个参数，因为它会隐式地释放锁，以便在其线程休眠后唤醒线程可以获取锁，之后又会重新获得锁。

本例通过 while 判断 ready 的值的变更，而不是通过条件变量唤醒判断 ready 已变更。将唤醒视为某种事物可能已经发生变化的暗示，而不是绝对的事实，这样更安全

编译和运行

代码需要包括头文件 pthread.h 才能编译。链接时需要 pthread 库，增加 -pthread 标记。

prompt> gcc -o main main.c -Wall -pthread

小结

补充：线程 API 指导

当你使用 POSIX 线程库（或者实际上，任何线程库）来构建多线程程序时，需要记住一些小而重 要的事情：

• 保持简洁。最重要的一点，线程之间的锁和信号的代码应该尽可能简洁。复杂的线程交互容易产生缺陷。
• 让线程交互减到最少。尽量减少线程之间的交互。每次交互都应该想清楚，并用验证过的、正确的方法来实现（很多方法会在后续章节中学习）。
• 初始化锁和条件变量。未初始化的代码有时工作正常，有时失败，会产生奇怪的结果。
• 检查返回值。当然，任何 C 和 UNIX 的程序，都应该检查返回值，这里也是一样。否则会导致古怪而难以理解的行为，让你尖叫，或者痛苦地揪自己的头发。
• 注意传给线程的参数和返回值。具体来说，如果传递在栈上分配的变量的引用，可能就是在犯错误。
• 每个线程都有自己的栈。类似于上一条，记住每一个线程都有自己的栈。因此，线程局部变量应该是线程私有的，其他线程不应该访问。线程之间共享数据，值要在堆（heap）或者其他全局可访问的位置。
• 线程之间总是通过条件变量发送信号。切记不要用标记变量来同步。
• 多查手册。尤其是 Linux 的 pthread 手册，有更多的细节、更丰富的内容。请仔细阅读！

参考

• Operating Systems: Three Easy Pieces 中文版