Posix线程编程指南(1)

这是一个关于Posix线程编程的专栏。做者在阐明概念的基础上，将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第一篇将向您讲述 线程的建立与取消。

1、线程建立

1．1 线程与进程
相对进程而言，线程是一个更加接近于执行体的概念，它能够与同进程中的其余线程共享数据，但拥有本身的栈空间，拥有独立的执行序列。在串行程序基础上引入线程和进程是为了提升程序的并发度，从而提升程序运行效率和响应时间。

线程和进程在使用上各有优缺点：线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。同时，线程适合于在SMP机器上运行，而进程则能够跨机器迁移。

1．2 建立线程
POSIX经过 pthread_create()函数建立线程，API定义以下：

int pthread_create(pthread_t * thread, pthread_attr_t * attr, void * (*start_routine)(void *), void * arg)

与fork()调用建立一个进程的方法不一样，pthread_create()建立的线程并不具有与主线程（即调用pthread_create()的线程）一样的执行序列，而是使其运行start_routine(arg)函数。thread返回建立的线程ID，而attr是建立线程时设置的线程属性（见下）。pthread_create()的返回值表示线程建立是否成功。尽管arg是void *类型的变量，但它一样能够做为任意类型的参数传给start_routine()函数；同时，start_routine()能够返回一个void *类型的返回值，而这个返回值也能够是其余类型，并由pthread_join()获取。

1．3 线程建立属性
pthread_create()中的attr参数是一个结构指针，结构中的元素分别对应着新线程的运行属性，主要包括如下几项：

__detachstate，表示新线程是否与进程中其余线程脱离同步，若是置位则新线程不能用pthread_join()来同步，且在退出时自行释放所占用的资源。缺省为PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。这个属性也能够在线程建立并运行之后用pthread_detach()来设置，而一旦设置为PTHREAD_CREATE_DETACH状态（不管是建立时设置仍是运行时设置）则不能再恢复到PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。

__schedpolicy，表示新线程的调度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非实时）、SCHED_RR（实时、轮转法）和SCHED_FIFO（实时、先入先出）三种，缺省为SCHED_OTHER，后两种调度策略仅对超级用户有效。运行时能够用过pthread_setschedparam()来改变。

__schedparam，一个struct sched_param结构，目前仅有一个sched_priority整型变量表示线程的运行优先级。这个参数仅当调度策略为实时（即SCHED_RR或SCHED_FIFO）时才有效，并能够在运行时经过pthread_setschedparam()函数来改变，缺省为0。

__inheritsched，有两种值可供选择：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表示新线程使用显式指定调度策略和调度参数（即attr中的值），然后者表示继承调用者线程的值。缺省为PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope，表示线程间竞争CPU的范围，也就是说线程优先级的有效范围。POSIX的标准中定义了两个值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示与系统中全部线程一块儿竞争CPU时间，后者表示仅与同进程中的线程竞争CPU。目前LinuxThreads仅实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t结构中还有一些值，但不使用pthread_create()来设置。

为了设置这些属性，POSIX定义了一系列属性设置函数，包括 pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和与各个属性相关的 pthread_attr_get---/ pthread_attr_set---函数。

1．4 线程建立的Linux实现
咱们知道，Linux的线程实现是在核外进行的，核内提供的是建立进程的接口 do_fork()。内核提供了两个系统调用__clone()和fork()，最终都用不一样的参数调用do_fork()核内API。固然，要想实现线程，没有核心对多进程（实际上是轻量级进程）共享数据段的支持是不行的，所以，do_fork()提供了不少参数，包括CLONE_VM（共享内存空间）、CLONE_FS（共享文件系统信息）、CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信号句柄表）和CLONE_PID（共享进程ID，仅对核内进程，即0号进程有效）。当使用fork系统调用时，内核调用do_fork()不使用任何共享属性，进程拥有独立的运行环境，而使用pthread_create()来建立线程时,则最终设置了全部这些属性来调用__clone()，而这些参数又所有传给核内的do_fork()，从而建立的"进程"拥有共享的运行环境，只有栈是独立的，由__clone()传入。

Linux线程在核内是以轻量级进程的形式存在的，拥有独立的进程表项，而全部的建立、同步、删除等操做都在核外pthread库中进行。pthread库使用一个管理线程（__pthread_manager()，每一个进程独立且惟一）来管理线程的建立和终止，为线程分配线程ID，发送线程相关的信号（好比Cancel），而主线程（pthread_create()）的调用者则经过管道将请求信息传给管理线程。

2、线程取消

2．1 线程取消的定义
通常状况下，线程在其主体函数退出的时候会自动终止，但同时也能够由于接收到另外一个线程发来的终止（取消）请求而强制终止。

2．2 线程取消的语义
线程取消的方法是向目标线程发Cancel信号，但如何处理Cancel信号则由目标线程本身决定，或者忽略、或者当即终止、或者继续运行至Cancelation-point（取消点），由不一样的Cancelation状态决定。

线程接收到CANCEL信号的缺省处理（即pthread_create()建立线程的缺省状态）是继续运行至取消点，也就是说设置一个CANCELED状态，线程继续运行，只有运行至Cancelation-point的时候才会退出。

2．3 取消点
根据POSIX标准， pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、 pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函数以及 read()、write()等会引发阻塞的系统调用都是Cancelation-point，而其余pthread函数都不会引发Cancelation动做。可是pthread_cancel的手册页声称，因为LinuxThread库与C库结合得很差，于是目前C库函数都不是Cancelation-point；但CANCEL信号会使线程从阻塞的系统调用中退出，并置EINTR错误码，所以能够在须要做为Cancelation-point的系统调用先后调用pthread_testcancel()，从而达到POSIX标准所要求的目标，即以下代码段：

pthread_testcancel(); retcode = read(fd, buffer, length); pthread_testcancel();

2．4 程序设计方面的考虑
若是线程处于无限循环中，且循环体内没有执行至取消点的必然路径，则线程没法由外部其余线程的取消请求而终止。所以在这样的循环体的必经路径上应该加入 pthread_testcancel()调用。

2．5 与线程取消相关的pthread函数
int pthread_cancel(pthread_t thread)
发送终止信号给thread线程，若是成功则返回0，不然为非0值。发送成功并不意味着thread会终止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
设置本线程对Cancel信号的反应，state有两种值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分别表示收到信号后设为CANCLED状态和忽略CANCEL信号继续运行；old_state若是不为NULL则存入原来的Cancel状态以便恢复。

 

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
设置本线程取消动做的执行时机，type由两种取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，仅当Cancel状态为Enable时有效，分别表示收到信号后继续运行至下一个取消点再退出和当即执行取消动做（退出）；oldtype若是不为NULL则存入运来的取消动做类型值。

void pthread_testcancel(void) 检查本线程是否处于Canceld状态，若是是，则进行取消动做，不然直接返回。