05实验五 Linux环境下多线程应用程序实验

关于线程的绑定，牵涉到另外一个概念：轻进程（LWP：Light Weight Process）。轻 进程可以理解为内核线程，它位于用户层和系统层之间。系统对线程资源的分配、对线程 的控制是通过轻进程来实现的，一个轻进程可以控制一个或多个线程。默认状况下，启动 多少轻进程、哪些轻进程来控制哪些线程是由系统来控制的，这种状况即称为非绑定的。 绑定状况下，则顾名思义，即某个线程固定的"绑"在一个轻进程之上。被绑定的线程具有 较高的响应速度，这是因为 CPU 时间片的调度是面向轻进程的，绑定的线程可以保证在 需要的时候它总有一个轻进程可用。通过设置被绑定的轻进程的优先级和调度级可以使得 绑定的线程满足诸如实时反应之类的要求。
在这一节里，我们编写了一个最简单的线程，并掌握了最常用的三个函数 pthread_create，pthread_join 和 pthread_exit。下面，我们来了解线程的一些常用属性以及 如何设置这些属性。
2、修改线程的属性
在上一节的例子里，我们用 pthread_create 函数创建了一个线程，在这个线程中，我 们使用了默认参数，即将该函数的第二个参数设为 NULL。的确，对大多数程序来说，使 用默认属性就够了，但我们还是有必要来了解一下线程的有关属性。
2) 使多 CPU 系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于 CPU 数目时，不同的 线程运行于不同的 CPU 上。
3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或 半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。
六、实验说明
1、简单的多线程编程 Linux 系统下的多线程遵循 POSIX 线程接口，称为 pthread。编写 Linux 下的多线程 程序，需要使用头文件 pthread.h，连接时需要使用库 libpthread.a。顺便说一下，Linux 下 pthread 的实现是通过系统调用 clone（）来实现的。clone（）是 Linux 所特有的系统调用， 它的使用方式类似 fork，关于 clone（）的详细情况，有兴趣的读者可以去查看有关文档 说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序 example.c。 /* example.c*/ #include <stdio.h> #include <pthread.h> void thread(void) { int i; for(i=0;i<3;i++) printf("This is a pthread.\n"); } int main(void) { pthread_t id; int i,ret; ret=pthread_create(&id,NULL,(void *) thread,NULL); if(ret!=0){ printf ("Create pthread error!\n"); exit (1); } for(i=0;i<3;i++) printf("This is the main process.\n"); pthread_join(id,NULL); return (0); } 我们编译此程序：
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid; /*初始化属性值，均设为默认值*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL); 线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在上面的例子中，我们采 用了线程的默认属性，即为非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。 只有当 pthread_join（）函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资 源。而分离线程不是这样子的，它没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就 终止了，马上释放系统资源。程序员应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。设置线 程分离状态的函数为 pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。第二 个 参 数 可 选 为 PTHREAD_CREATE_DETACHED （ 分 离 线 程 ） 和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）。这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线 程，而这个线程运行又非常快，它很可能在 pthread_create 函数返回之前就终止了，它终 止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用 pthread_create 的线 程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一 是可以在被创建的线程里调用 pthread_cond_timewait 函数，让这个线程等待一会儿，留出 足够的时间让函数 pthread_create 返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方 法。但是注意不要使用诸如 wait（）之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线 程同步的问题。 另外一个可能常用的属性是线程的优先级，它存放在结构 sched_param 中。用函数 pthread_attr_getschedparam 和函数 pthread_attr_setschedparam 进行存放，一般说来，我们 总是先取优先级，对取得的值修改后再存放回去。下面即是一段简单的例子。
属性结构为 pthread_attr_t，它同样在头文件/usr/include/pthread.h 中定义，喜欢追根问 底的人可以自己去查看。属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数 为 pthread_attr_init，这个函数必须在 pthread_create 函数之前调用。属性对象主要包括是 否绑定、是否分离、堆栈地址、堆栈大小、优先级。默认的属性为非绑定、非分离、缺省 1M 的堆栈、与父进程同样级别的优先级。
设置线程绑定状态的函数为 pthread_attr_setscope，它有两个参数，第一个是指向属性 结构的指针，第二个是绑定类型，它有两个取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（绑定的） 和 PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非绑定的）。下面的代码即创建了一个绑定的线程。
#include <pthread.h>
gcc example1.c -lpthread -o example1 运行 example1，我们得到如下结果：
This is the main process. This is a pthread. This is the main process. This is the main process. This is a pthread. This is a pthread. 再次运行，我们可能得到如下结果：
This is a pthread. This is the main process. This is a pthread. This is the main process. This is a pthread. This is the main process. 前后两次结果不一样，这是两个线程争夺 CPU 资源的结果。上面的示例中，我们使 用到了两个函数，pthread_create 和 pthread_join，并声明了一个 pthread_t 型的变量。 pthread_t 在头文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h 中定义： typedef unsigned long int pthread_t; 它是一个线程的标识符。函数 pthread_create 用来创建一个线程，它的原型为： extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr, void *(*__start_routine) (void *), void *__arg)); 第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是 线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。这里，我们的函数 thread 不需要参数，所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针，这样将生成 默认属性的线程。对线程属性的设定和修改我们将在下一节阐述。当创建线程成功时，函 数返回 0，若不为 0 则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为 EAGAIN 和 EINVAL。 前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程 属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的 线程则继续运行下一行代码。 函数 pthread_join 用来等待一个线程的结束。函数原型为： extern int pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return)); 第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来 存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到 被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。一个线程的结束有两 种途径，一种是象我们上面的例子一样，函数结束了，调用它的线程也就结束了；另一种 方式是通过函数 pthread_exit 来实现。它的函数原型为： extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__)); 唯一的参数是函数的返回代码，只要 pthread_join 中的第二个参数 thread_return 不是 NULL，这个值将被传递给 thread_return。最后要说明的是，一个线程不能被多个线程等 待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用 pthread_join 的线程则返回错误代 码 ESRCH。