轉(zhuǎn)自：Youther
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1. 引言

線程（thread）技術(shù)早在60年代就被提出枫夺，但真正應(yīng)用多線程到操作系統(tǒng)中去，是在80年代中期，solaris是這方面的佼佼者牍疏。傳統(tǒng)的Unix也支持線程的概念项乒，但是在一個進(jìn)程（process）中只允許有一個線程扮念，這樣多線程就意味著多進(jìn)程⊥谎現(xiàn)在什黑，多線程技術(shù)已經(jīng)被許多操作系統(tǒng)所支持崎淳，包括Windows/NT，當(dāng)然愕把，也包括Linux拣凹。
　　為什么有了進(jìn)程的概念后，還要再引入線程呢恨豁？使用多線程到底有哪些好處嚣镜？什么的系統(tǒng)應(yīng)該選用多線程？我們首先必須回答這些問題橘蜜。
　　使用多線程的理由之一是和進(jìn)程相比菊匿，它是一種非常"節(jié)儉"的多任務(wù)操作方式。我們知道计福，在Linux系統(tǒng)下跌捆，啟動一個新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段象颖、堆棧段和數(shù)據(jù)段佩厚，這是一種"昂貴"的多任務(wù)工作方式。而運(yùn)行于一個進(jìn)程中的多個線程说订，它們彼此之間使用相同的地址空間抄瓦，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動一個線程所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動一個進(jìn)程所花費(fèi)的空間克蚂，而且闺鲸，線程間彼此切換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間筋讨。據(jù)統(tǒng)計(jì)埃叭，總的說來，一個進(jìn)程的開銷大約是一個線程開銷的30倍左右悉罕，當(dāng)然赤屋，在具體的系統(tǒng)上立镶，這個數(shù)據(jù)可能會有較大的區(qū)別。
　　使用多線程的理由之二是線程間方便的通信機(jī)制类早。對不同進(jìn)程來說媚媒，它們具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進(jìn)行涩僻，這種方式不僅費(fèi)時(shí)缭召，而且很不方便。線程則不然逆日，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間嵌巷，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷室抽，而且方便搪哪。當(dāng)然，數(shù)據(jù)的共享也帶來其他一些問題坪圾，有的變量不能同時(shí)被兩個線程所修改晓折，有的子程序中聲明為static的數(shù)據(jù)更有可能給多線程程序帶來災(zāi)難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時(shí)最需要注意的地方兽泄。
　　除了以上所說的優(yōu)點(diǎn)外漓概，不和進(jìn)程比較，多線程程序作為一種多任務(wù)病梢、并發(fā)的工作方式垛耳，當(dāng)然有以下的優(yōu)點(diǎn)：
　　1) 提高應(yīng)用程序響應(yīng)。這對圖形界面的程序尤其有意義飘千，當(dāng)一個操作耗時(shí)很長時(shí)堂鲜，整個系統(tǒng)都會等待這個操作，此時(shí)程序不會響應(yīng)鍵盤护奈、鼠標(biāo)缔莲、菜單的操作，而使用多線程技術(shù)霉旗，將耗時(shí)長的操作（time consuming）置于一個新的線程痴奏，可以避免這種尷尬的情況。
　　2) 使多CPU系統(tǒng)更加有效厌秒。操作系統(tǒng)會保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時(shí)读拆，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上。
　　3) 改善程序結(jié)構(gòu)鸵闪。一個既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個線程檐晕，成為幾個獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，這樣的程序會利于理解和修改。
　　下面我們先來嘗試編寫一個簡單的多線程程序辟灰。

2. 簡單的多線程編程

Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口个榕，稱為pthread。編寫Linux下的多線程程序芥喇，需要使用頭文件pthread.h西采，連接時(shí)需要使用庫libpthread.a。順便說一下继控，Linux下pthread的實(shí)現(xiàn)是通過系統(tǒng)調(diào)用clone()來實(shí)現(xiàn)的械馆。clone()是Linux所特有的系統(tǒng)調(diào)用，它的使用方式類似fork武通，關(guān)于clone()的詳細(xì)情況狱杰，有興趣的讀者可以去查看有關(guān)文檔說明。下面我們展示一個最簡單的多線程程序threads.cpp厅须。

//Threads.cpp
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *thread(void *ptr)
{
    for(int i = 0;i < 3;i++) {
        sleep(1);
        cout << "This is a pthread." << endl;
    }
    return 0;
}

int main() {
    pthread_t id;
    int ret = pthread_create(&id, NULL, thread, NULL);
    if(ret) {
        cout << "Create pthread error!" << endl;
        return 1;
    }
    for(int i = 0;i < 3;i++) {
        cout <<  "This is the main process." << endl;
        sleep(1);
    }
    pthread_join(id, NULL);
    return 0;
}

我們編譯并運(yùn)行此程序仿畸，可以得到如下結(jié)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.

再次運(yùn)行，我們可能得到如下結(jié)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.

前后兩次結(jié)果不一樣朗和，這是兩個線程爭奪CPU資源的結(jié)果错沽。上面的示例中，我們使用到了兩個函數(shù)眶拉，pthread_create和pthread_join千埃，并聲明了一個pthread_t型的變量。
　　pthread_t在頭文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定義：

typedef unsigned long int pthread_t;

它是一個線程的標(biāo)識符忆植。函數(shù)pthread_create用來創(chuàng)建一個線程放可，它的原型為：

extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,
void *(*__start_routine) (void *), void *__arg));

第一個參數(shù)為指向線程標(biāo)識符的指針，第二個參數(shù)用來設(shè)置線程屬性朝刊，第三個參數(shù)是線程運(yùn)行函數(shù)的起始地址耀里，最后一個參數(shù)是運(yùn)行函數(shù)的參數(shù)。這里拾氓，我們的函數(shù)thread不需要參數(shù)冯挎，所以最后一個參數(shù)設(shè)為空指針。第二個參數(shù)我們也設(shè)為空指針咙鞍，這樣將生成默認(rèn)屬性的線程房官。對線程屬性的設(shè)定和修改我們將在下一節(jié)闡述。當(dāng)創(chuàng)建線程成功時(shí)续滋，函數(shù)返回0翰守，若不為0則說明創(chuàng)建線程失敗，常見的錯誤返回代碼為EAGAIN和EINVAL疲酌。前者表示系統(tǒng)限制創(chuàng)建新的線程蜡峰，例如線程數(shù)目過多了；后者表示第二個參數(shù)代表的線程屬性值非法。創(chuàng)建線程成功后事示，新創(chuàng)建的線程則運(yùn)行參數(shù)三和參數(shù)四確定的函數(shù)早像，原來的線程則繼續(xù)運(yùn)行下一行代碼僻肖。
　　函數(shù)pthread_join用來等待一個線程的結(jié)束肖爵。函數(shù)原型為：

extern int pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return));

第一個參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識符，第二個參數(shù)為一個用戶定義的指針臀脏，它可以用來存儲被等待線程的返回值劝堪。這個函數(shù)是一個線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程結(jié)束為止揉稚，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)秒啦，被等待線程的資源被收回。一個線程的結(jié)束有兩種途徑搀玖，一種是象我們上面的例子一樣余境，函數(shù)結(jié)束了，調(diào)用它的線程也就結(jié)束了灌诅；另一種方式是通過函數(shù)pthread_exit來實(shí)現(xiàn)芳来。它的函數(shù)原型為：

extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__));

唯一的參數(shù)是函數(shù)的返回代碼，只要pthread_join中的第二個參數(shù)thread_return不是NULL猜拾，這個值將被傳遞給thread_return即舌。最后要說明的是，一個線程不能被多個線程等待挎袜，否則第一個接收到信號的線程成功返回顽聂，其余調(diào)用pthread_join的線程則返回錯誤代碼ESRCH。
　　在這一節(jié)里盯仪，我們編寫了一個最簡單的線程紊搪，并掌握了最常用的三個函數(shù)pthread_create，pthread_join和pthread_exit全景。下面嗦明，我們來了解線程的一些常用屬性以及如何設(shè)置這些屬性。

3. 修改線程的屬性

在上一節(jié)的例子里蚪燕，我們用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建了一個線程娶牌，在這個線程中，我們使用了默認(rèn)參數(shù)馆纳，即將該函數(shù)的第二個參數(shù)設(shè)為NULL诗良。的確，對大多數(shù)程序來說鲁驶，使用默認(rèn)屬性就夠了鉴裹，但我們還是有必要來了解一下線程的有關(guān)屬性。
　　屬性結(jié)構(gòu)為pthread_attr_t，它同樣在頭文件/usr/include/pthread.h中定義径荔，喜歡追根問底的人可以自己去查看督禽。屬性值不能直接設(shè)置，須使用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行操作总处，初始化的函數(shù)為pthread_attr_init狈惫，這個函數(shù)必須在pthread_create函數(shù)之前調(diào)用。屬性對象主要包括是否綁定鹦马、是否分離胧谈、堆棧地址、堆棧大小荸频、優(yōu)先級菱肖。默認(rèn)的屬性為非綁定、非分離旭从、缺省1M的堆棧稳强、與父進(jìn)程同樣級別的優(yōu)先級。
　　關(guān)于線程的綁定和悦，牽涉到另外一個概念：輕進(jìn)程（LWP：Light Weight Process）退疫。輕進(jìn)程可以理解為內(nèi)核線程，它位于用戶層和系統(tǒng)層之間摹闽。系統(tǒng)對線程資源的分配蹄咖、對線程的控制是通過輕進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)的，一個輕進(jìn)程可以控制一個或多個線程付鹿。默認(rèn)狀況下澜汤，啟動多少輕進(jìn)程、哪些輕進(jìn)程來控制哪些線程是由系統(tǒng)來控制的舵匾，這種狀況即稱為非綁定的俊抵。綁定狀況下，則顧名思義坐梯，即某個線程固定的"綁"在一個輕進(jìn)程之上徽诲。被綁定的線程具有較高的響應(yīng)速度，這是因?yàn)镃PU時(shí)間片的調(diào)度是面向輕進(jìn)程的吵血，綁定的線程可以保證在需要的時(shí)候它總有一個輕進(jìn)程可用谎替。通過設(shè)置被綁定的輕進(jìn)程的優(yōu)先級和調(diào)度級可以使得綁定的線程滿足諸如實(shí)時(shí)反應(yīng)之類的要求。
　　設(shè)置線程綁定狀態(tài)的函數(shù)為pthread_attr_setscope蹋辅，它有兩個參數(shù)钱贯，第一個是指向?qū)傩越Y(jié)構(gòu)的指針，第二個是綁定類型侦另，它有兩個取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（綁定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非綁定的）秩命。下面的代碼即創(chuàng)建了一個綁定的線程尉共。

#include <pthread.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
/*初始化屬性值，均設(shè)為默認(rèn)值*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);

線程的分離狀態(tài)決定一個線程以什么樣的方式來終止自己弃锐。在上面的例子中袄友，我們采用了線程的默認(rèn)屬性，即為非分離狀態(tài)霹菊，這種情況下剧蚣，原有的線程等待創(chuàng)建的線程結(jié)束。只有當(dāng)pthread_join（）函數(shù)返回時(shí)浇辜，創(chuàng)建的線程才算終止券敌，才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源唾戚。而分離線程不是這樣子的柳洋，它沒有被其他的線程所等待，自己運(yùn)行結(jié)束了叹坦，線程也就終止了熊镣，馬上釋放系統(tǒng)資源。程序員應(yīng)該根據(jù)自己的需要募书，選擇適當(dāng)?shù)姆蛛x狀態(tài)绪囱。設(shè)置線程分離狀態(tài)的函數(shù)為pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。第二個參數(shù)可選為PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離線程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分離線程）莹捡。這里要注意的一點(diǎn)是鬼吵，如果設(shè)置一個線程為分離線程，而這個線程運(yùn)行又非忱河快齿椅，它很可能在pthread_create函數(shù)返回之前就終止了，它終止以后就可能將線程號和系統(tǒng)資源移交給其他的線程使用启泣，這樣調(diào)用pthread_create的線程就得到了錯誤的線程號涣脚。要避免這種情況可以采取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被創(chuàng)建的線程里調(diào)用pthread_cond_timewait函數(shù)寥茫，讓這個線程等待一會兒遣蚀，留出足夠的時(shí)間讓函數(shù)pthread_create返回。設(shè)置一段等待時(shí)間纱耻，是在多線程編程里常用的方法找默。但是注意不要使用諸如wait（）之類的函數(shù)，它們是使整個進(jìn)程睡眠琳袄，并不能解決線程同步的問題灰蛙。

另外一個可能常用的屬性是線程的優(yōu)先級，它存放在結(jié)構(gòu)sched_param中限次。用函數(shù)pthread_attr_getschedparam和函數(shù)pthread_attr_setschedparam進(jìn)行存放芒涡，一般說來柴灯，我們總是先取優(yōu)先級，對取得的值修改后再存放回去费尽。下面即是一段簡單的例子赠群。

#include <pthread.h>
#include <sched.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;
pthread_attr_init(&amp;attr);
pthread_attr_getschedparam(&attr, &param);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);
pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);

4. 線程的數(shù)據(jù)處理

和進(jìn)程相比，線程的最大優(yōu)點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)的共享性旱幼，各個進(jìn)程共享父進(jìn)程處沿襲的數(shù)據(jù)段查描，可以方便的獲得、修改數(shù)據(jù)柏卤。但這也給多線程編程帶來了許多問題冬三。我們必須當(dāng)心有多個不同的進(jìn)程訪問相同的變量。許多函數(shù)是不可重入的缘缚，即同時(shí)不能運(yùn)行一個函數(shù)的多個拷貝（除非使用不同的數(shù)據(jù)段）勾笆。在函數(shù)中聲明的靜態(tài)變量常常帶來問題，函數(shù)的返回值也會有問題桥滨。因?yàn)槿绻祷氐氖呛瘮?shù)內(nèi)部靜態(tài)聲明的空間的地址窝爪，則在一個線程調(diào)用該函數(shù)得到地址后使用該地址指向的數(shù)據(jù)時(shí)，別的線程可能調(diào)用此函數(shù)并修改了這一段數(shù)據(jù)齐媒。在進(jìn)程中共享的變量必須用關(guān)鍵字volatile來定義蒲每，這是為了防止編譯器在優(yōu)化時(shí)（如gcc中使用-OX參數(shù)）改變它們的使用方式。為了保護(hù)變量喻括，我們必須使用信號量邀杏、互斥等方法來保證我們對變量的正確使用。下面唬血，我們就逐步介紹處理線程數(shù)據(jù)時(shí)的有關(guān)知識望蜡。

4.1 線程數(shù)據(jù)

在單線程的程序里，有兩種基本的數(shù)據(jù)：全局變量和局部變量刁品。但在多線程程序里泣特，還有第三種數(shù)據(jù)類型：線程數(shù)據(jù)（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局變量很象挑随，在線程內(nèi)部状您，各個函數(shù)可以象使用全局變量一樣調(diào)用它，但它對線程外部的其它線程是不可見的兜挨。這種數(shù)據(jù)的必要性是顯而易見的膏孟。例如我們常見的變量errno，它返回標(biāo)準(zhǔn)的出錯信息拌汇。它顯然不能是一個局部變量柒桑，幾乎每個函數(shù)都應(yīng)該可以調(diào)用它；但它又不能是一個全局變量噪舀，否則在A線程里輸出的很可能是B線程的出錯信息魁淳。要實(shí)現(xiàn)諸如此類的變量飘诗，我們就必須使用線程數(shù)據(jù)。我們?yōu)槊總€線程數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個鍵界逛，它和這個鍵相關(guān)聯(lián)昆稿，在各個線程里，都使用這個鍵來指代線程數(shù)據(jù)息拜，但在不同的線程里溉潭，這個鍵代表的數(shù)據(jù)是不同的，在同一個線程里少欺，它代表同樣的數(shù)據(jù)內(nèi)容喳瓣。
　　和線程數(shù)據(jù)相關(guān)的函數(shù)主要有4個：創(chuàng)建一個鍵；為一個鍵指定線程數(shù)據(jù)赞别；從一個鍵讀取線程數(shù)據(jù)畏陕；刪除鍵。
　　創(chuàng)建鍵的函數(shù)原型為：

extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,void (*__destr_function) (void *)));

第一個參數(shù)為指向一個鍵值的指針氯庆，第二個參數(shù)指明了一個destructor函數(shù)蹭秋，如果這個參數(shù)不為空扰付，那么當(dāng)每個線程結(jié)束時(shí)堤撵，系統(tǒng)將調(diào)用這個函數(shù)來釋放綁定在這個鍵上的內(nèi)存塊。這個函數(shù)常和函數(shù)pthread_once ((pthread_once_tonce_control, void (initroutine) (void)))一起使用羽莺，為了讓這個鍵只被創(chuàng)建一次实昨。函數(shù)pthread_once聲明一個初始化函數(shù)，第一次調(diào)用pthread_once時(shí)它執(zhí)行這個函數(shù)盐固，以后的調(diào)用將被它忽略荒给。

在下面的例子中，我們創(chuàng)建一個鍵刁卜，并將它和某個數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)志电。我們要定義一個函數(shù)createWindow，這個函數(shù)定義一個圖形窗口（數(shù)據(jù)類型為Fl_Window *蛔趴，這是圖形界面開發(fā)工具FLTK中的數(shù)據(jù)類型）挑辆。 由于各個線程都會調(diào)用這個函數(shù)，所以我們使用線程數(shù)據(jù)孝情。

/* 聲明一個鍵*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函數(shù) createWindow */
void createWindow ( void ) {
    Fl_Window * win;
    static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
    /* 調(diào)用函數(shù)createMyKey鱼蝉，創(chuàng)建鍵*/
    pthread_once ( & once, createMyKey) ;
    /*win指向一個新建立的窗口*/
    win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");
    /* 對此窗口作一些可能的設(shè)置工作，如大小箫荡、位置魁亦、名稱等*/
    setWindow(win);
    /* 將窗口指針值綁定在鍵myWinKey上*/
    pthread_setpecific ( myWinKey, win);
}

/* 函數(shù) createMyKey，創(chuàng)建一個鍵羔挡，并指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
    pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);
}

/* 函數(shù) freeWinKey洁奈，釋放空間*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
    delete win;
}

這樣间唉，在不同的線程中調(diào)用函數(shù)createMyWin，都可以得到在線程內(nèi)部均可見的窗口變量利术，這個變量通過函數(shù)pthread_getspecific得到终吼。在上面的例子中，我們已經(jīng)使用了函數(shù)pthread_setspecific來將線程數(shù)據(jù)和一個鍵綁定在一起氯哮。這兩個函數(shù)的原型如下：

extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer));
extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));

這兩個函數(shù)的參數(shù)意義和使用方法是顯而易見的际跪。要注意的是，用pthread_setspecific為一個鍵指定新的線程數(shù)據(jù)時(shí)喉钢，必須自己釋放原有的線程數(shù)據(jù)以回收空間姆打。這個過程函數(shù)pthread_key_delete用來刪除一個鍵，這個鍵占用的內(nèi)存將被釋放肠虽，但同樣要注意的是幔戏，它只釋放鍵占用的內(nèi)存，并不釋放該鍵關(guān)聯(lián)的線程數(shù)據(jù)所占用的內(nèi)存資源税课，而且它也不會觸發(fā)函數(shù)pthread_key_create中定義的destructor函數(shù)闲延。線程數(shù)據(jù)的釋放必須在釋放鍵之前完成。

4.2 互斥鎖

互斥鎖用來保證一段時(shí)間內(nèi)只有一個線程在執(zhí)行一段代碼韩玩。必要性顯而易見：假設(shè)各個線程向同一個文件順序?qū)懭霐?shù)據(jù)垒玲，最后得到的結(jié)果一定是災(zāi)難性的。
　　我們先看下面一段代碼找颓。這是一個讀/寫程序合愈，它們公用一個緩沖區(qū)，并且我們假定一個緩沖區(qū)只能保存一條信息击狮。即緩沖區(qū)只有兩個狀態(tài)：有信息或沒有信息佛析。

void reader_function ( void );
void writer_function ( void ); 
char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;

void main ( void ){
    pthread_t reader;
    /* 定義延遲時(shí)間*/
    delay.tv_sec = 2;
    delay.tv_nec = 0;
    /* 用默認(rèn)屬性初始化一個互斥鎖對象*/
    pthread_mutex_init (&mutex,NULL);
    pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);
    writer_function( );
}

void writer_function (void){
    while(1){
        /* 鎖定互斥鎖*/
        pthread_mutex_lock (&mutex);
        if (buffer_has_item==0){
            buffer=make_new_item( );
            buffer_has_item=1;
        }
        /* 打開互斥鎖*/
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_delay_np(&delay);
    }
}

void reader_function(void){
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(buffer_has_item==1){
            consume_item(buffer);
            buffer_has_item=0;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_delay_np(&delay);
    }
}

這里聲明了互斥鎖變量mutex，結(jié)構(gòu)pthread_mutex_t為不公開的數(shù)據(jù)類型彪蓬，其中包含一個系統(tǒng)分配的屬性對象寸莫。函數(shù)pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL參數(shù)表明使用默認(rèn)屬性档冬。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖膘茎，須調(diào)用函數(shù)pthread_mutexattr_init。函數(shù)pthread_mutexattr_setpshared和函數(shù)pthread_mutexattr_settype用來設(shè)置互斥鎖屬性捣郊。前一個函數(shù)設(shè)置屬性pshared辽狈，它有兩個取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED呛牲。前者用來不同進(jìn)程中的線程同步刮萌，后者用于同步本進(jìn)程的不同線程。在上面的例子中娘扩，我們使用的是默認(rèn)屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE着茸。后者用來設(shè)置互斥鎖類型壮锻，可選的類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK涮阔、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT猜绣。它們分別定義了不同的上鎖、解鎖機(jī)制敬特，一般情況下掰邢，選用最后一個默認(rèn)屬性。
　　pthread_mutex_lock聲明開始用互斥鎖上鎖伟阔，此后的代碼直至調(diào)用pthread_mutex_unlock為止辣之，均被上鎖，即同一時(shí)間只能被一個線程調(diào)用執(zhí)行皱炉。當(dāng)一個線程執(zhí)行到pthread_mutex_lock處時(shí)怀估，如果該鎖此時(shí)被另一個線程使用，那此線程被阻塞合搅，即程序?qū)⒌却搅硪粋€線程釋放此互斥鎖多搀。在上面的例子中，我們使用了pthread_delay_np函數(shù)灾部，讓線程睡眠一段時(shí)間康铭，就是為了防止一個線程始終占據(jù)此函數(shù)。
　　上面的例子非常簡單梳猪，就不再介紹了麻削，需要提出的是在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現(xiàn)死鎖：兩個線程試圖同時(shí)占用兩個資源，并按不同的次序鎖定相應(yīng)的互斥鎖春弥，例如兩個線程都需要鎖定互斥鎖1和互斥鎖2，a線程先鎖定互斥鎖1叠荠，b線程先鎖定互斥鎖2匿沛，這時(shí)就出現(xiàn)了死鎖。此時(shí)我們可以使用函數(shù)pthread_mutex_trylock榛鼎，它是函數(shù)pthread_mutex_lock的非阻塞版本逃呼，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)死鎖不可避免時(shí)，它會返回相應(yīng)的信息者娱，程序員可以針對死鎖做出相應(yīng)的處理抡笼。另外不同的互斥鎖類型對死鎖的處理不一樣，但最主要的還是要程序員自己在程序設(shè)計(jì)注意這一點(diǎn)黄鳍。

4.3 條件變量

前一節(jié)中我們講述了如何使用互斥鎖來實(shí)現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)的共享和通信推姻，互斥鎖一個明顯的缺點(diǎn)是它只有兩種狀態(tài)：鎖定和非鎖定。而條件變量通過允許線程阻塞和等待另一個線程發(fā)送信號的方法彌補(bǔ)了互斥鎖的不足框沟，它常和互斥鎖一起使用藏古。使用時(shí)增炭，條件變量被用來阻塞一個線程，當(dāng)條件不滿足時(shí)拧晕，線程往往解開相應(yīng)的互斥鎖并等待條件發(fā)生變化隙姿。一旦其它的某個線程改變了條件變量，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個或多個正被此條件變量阻塞的線程厂捞。這些線程將重新鎖定互斥鎖并重新測試條件是否滿足输玷。一般說來，條件變量被用來進(jìn)行線承間的同步靡馁。
　　條件變量的結(jié)構(gòu)為pthread_cond_t饲嗽，函數(shù)pthread_cond_init（）被用來初始化一個條件變量。它的原型為：

extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));

其中cond是一個指向結(jié)構(gòu)pthread_cond_t的指針奈嘿，cond_attr是一個指向結(jié)構(gòu)pthread_condattr_t的指針貌虾。結(jié)構(gòu)pthread_condattr_t是條件變量的屬性結(jié)構(gòu)，和互斥鎖一樣我們可以用它來設(shè)置條件變量是進(jìn)程內(nèi)可用還是進(jìn)程間可用裙犹，默認(rèn)值是PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE尽狠，即此條件變量被同一進(jìn)程內(nèi)的各個線程使用。注意初始化條件變量只有未被使用時(shí)才能重新初始化或被釋放叶圃。釋放一個條件變量的函數(shù)為pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）袄膏。　
　　函數(shù)pthread_cond_wait（）使線程阻塞在一個條件變量上掺冠。

它的函數(shù)原型為：

extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,
pthread_mutex_t *__mutex));

線程解開mutex指向的鎖并被條件變量cond阻塞沉馆。線程可以被函數(shù)pthread_cond_signal和函數(shù)pthread_cond_broadcast喚醒，但是要注意的是德崭，條件變量只是起阻塞和喚醒線程的作用斥黑，具體的判斷條件還需用戶給出，例如一個變量是否為0等等锌奴，這一點(diǎn)我們從后面的例子中可以看到。線程被喚醒后鹿蜀，它將重新檢查判斷條件是否滿足，如果還不滿足服球，一般說來線程應(yīng)該仍阻塞在這里茴恰，被等待被下一次喚醒。這個過程一般用while語句實(shí)現(xiàn)斩熊。
　　另一個用來阻塞線程的函數(shù)是pthread_cond_timedwait()往枣，它的原型為：

extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,
pthread_mutex_t *__mutex, __const struct timespec *__abstime));

它比函數(shù)pthread_cond_wait()多了一個時(shí)間參數(shù)，經(jīng)歷abstime段時(shí)間后，即使條件變量不滿足婉商，阻塞也被解除似忧。
　　函數(shù)pthread_cond_signal()的原型為：

extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));

它用來釋放被阻塞在條件變量cond上的一個線程。多個線程阻塞在此條件變量上時(shí)丈秩，哪一個線程被喚醒是由線程的調(diào)度策略所決定的盯捌。要注意的是，必須用保護(hù)條件變量的互斥鎖來保護(hù)這個函數(shù)蘑秽，否則條件滿足信號又可能在測試條件和調(diào)用pthread_cond_wait函數(shù)之間被發(fā)出饺著，從而造成無限制的等待。下面是使用函數(shù)pthread_cond_wait()和函數(shù)

pthread_cond_signal()的一個簡單的例子肠牲。
pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count () {
    pthread_mutex_lock (&count_lock);
    while(count==0) 
        pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);
    count=count -1;
    pthread_mutex_unlock (&count_lock);
}

increment_count(){
    pthread_mutex_lock(&count_lock);
    if(count==0)
        pthread_cond_signal(&count_nonzero);
    count=count+1;
    pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}

count值為0時(shí)幼衰，decrement函數(shù)在pthread_cond_wait處被阻塞，并打開互斥鎖count_lock缀雳。此時(shí)渡嚣，當(dāng)調(diào)用到函數(shù)increment_count時(shí)，pthread_cond_signal（）函數(shù)改變條件變量肥印，告知decrement_count（）停止阻塞识椰。讀者可以試著讓兩個線程分別運(yùn)行這兩個函數(shù)，看看會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果深碱。
　　函數(shù)pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用來喚醒所有被阻塞在條件變量cond上的線程腹鹉。這些線程被喚醒后將再次競爭相應(yīng)的互斥鎖，所以必須小心使用這個函數(shù)敷硅。

4.4 信號量

信號量本質(zhì)上是一個非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器功咒，它被用來控制對公共資源的訪問。當(dāng)公共資源增加時(shí)绞蹦，調(diào)用函數(shù)sem_post（）增加信號量力奋。只有當(dāng)信號量值大于０時(shí)，才能使用公共資源刊侯，使用后，函數(shù)sem_wait（）減少信號量藕届。函數(shù)sem_trywait（）和函數(shù)pthread_ mutex_trylock（）起同樣的作用休偶，它是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本。下面我們逐個介紹和信號量有關(guān)的一些函數(shù)八秃，它們都在頭文件/usr/include/semaphore.h中定義昔驱。
　　信號量的數(shù)據(jù)類型為結(jié)構(gòu)sem_t骤肛，它本質(zhì)上是一個長整型的數(shù)腋颠。函數(shù)sem_init（）用來初始化一個信號量吓笙。它的原型為：

extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));

sem為指向信號量結(jié)構(gòu)的一個指針面睛；pshared不為０時(shí)此信號量在進(jìn)程間共享侮穿，否則只能為當(dāng)前進(jìn)程的所有線程共享；value給出了信號量的初始值回铛。
　　函數(shù)sem_post( sem_t *sem )用來增加信號量的值茵肃。當(dāng)有線程阻塞在這個信號量上時(shí)袭祟，調(diào)用這個函數(shù)會使其中的一個線程不在阻塞，選擇機(jī)制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的您没。
　　函數(shù)sem_wait( sem_t *sem )被用來阻塞當(dāng)前線程直到信號量sem的值大于0氨鹏，解除阻塞后將sem的值減一仆抵，表明公共資源經(jīng)使用后減少镣丑。函數(shù)sem_trywait ( sem_t *sem )是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本莺匠，它直接將信號量sem的值減一。
　　函數(shù)sem_destroy(sem_t *sem)用來釋放信號量sem辽聊。
　　下面我們來看一個使用信號量的例子跟匆。在這個例子中玛臂，一共有4個線程迹冤，其中兩個線程負(fù)責(zé)從文件讀取數(shù)據(jù)到公共的緩沖區(qū)泡徙，另兩個線程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)作不同的處理（加和乘運(yùn)算）堪藐。

/* File sem.c */
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define MAXSTACK 100
int stack[MAXSTACK][2];
int size=0;
sem_t sem;

/* 從文件1.dat讀取數(shù)據(jù)礁竞，每讀一次模捂，信號量加一*/
void ReadData1(void){
    FILE *fp=fopen("1.dat","r");
    while(!feof(fp)){
        fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
        sem_post(&sem);
        ++size;
    }
    fclose(fp);
}

/*從文件2.dat讀取數(shù)據(jù)*/
void ReadData2(void){
    FILE *fp=fopen("2.dat","r");
    while(!feof(fp)){
        fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
        sem_post(&sem);
        ++size;
    }
    fclose(fp);
}
/*阻塞等待緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)狂男，讀取數(shù)據(jù)后并淋，釋放空間，繼續(xù)等待*/
void HandleData1(void){
    while(1){
        sem_wait(&sem);
        printf("Plus:%d+%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],
        stack[size][0]+stack[size][1]);
        --size;
    }
}

void HandleData2(void){
    while(1){
        sem_wait(&sem);
        printf("Multiply:%d*%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],
        stack[size][0]*stack[size][1]);
        --size;
    }
}

int main(void){
    pthread_t t1,t2,t3,t4;
    sem_init(&sem,0,0);
    pthread_create(&t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL);
    pthread_create(&t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL);
    pthread_create(&t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL);
    pthread_create(&t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL);
    /* 防止程序過早退出镣典，讓它在此無限期等待*/
    pthread_join(t1,NULL);
}

在Linux下澎剥，我們用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可執(zhí)行文件sem赶舆。 我們事先編輯好數(shù)據(jù)文件1.dat和2.dat，假設(shè)它們的內(nèi)容分別為1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 叙量，我們運(yùn)行sem绞佩，得到如下的結(jié)果：

　　Multiply:-1*-2=2
　　Plus:-1+-2=-3
　　Multiply:9*10=90
　　Plus:-9+-10=-19
　　Multiply:-7*-8=56
　　Plus:-5+-6=-11
　　Multiply:-3*-4=12
　　Plus:9+10=19
　　Plus:7+8=15
　　Plus:5+6=11

從中我們可以看出各個線程間的競爭關(guān)系品山。而數(shù)值并未按我們原先的順序顯示出來這是由于size這個數(shù)值被各個線程任意修改的緣故肘交。這也往往是多線程編程要注意的問題涯呻。

5. 小結(jié)

多線程編程是一個很有意思也很有用的技術(shù)魄懂，使用多線程技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)螞蟻是目前最常用的下載工具之一市栗，使用多線程技術(shù)的grep比單線程的grep要快上幾倍填帽，類似的例子還有很多篡腌。希望大家能用多線程技術(shù)寫出高效實(shí)用的好程序來嘹悼。

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