linux 下線程使用(使用pthread_create)轉__linux

這是一個關於Posix線程編程的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第一篇將向您講述線程的建立與取消。

一、線程建立

1．1 線程與進程
相對進程而言，線程是一個更加接近於執行體的概念，它可以與同進程中的其他線程共用資料，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執行序列。在串列程式基礎上引入線程和進程是為了提高程式的並發度，從而提高程式運行效率和回應時間。

線程和進程在使用上各有優缺點：線程執行開銷小，但不利於資源的管理和保護；而進程正相反。同時，線程適合於在SMP機器上運行，而進程則可以跨機器遷移。

1．2 建立線程
POSIX通過pthread_create()函數建立線程，API定義如下：

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

與fork()調用建立一個進程的方法不同，pthread_create()建立的線程並不具備與主線程（即調用pthread_create()的線 程）同樣的執行序列，而是使其運行start_routine(arg)函數。thread返回建立的線程ID，而attr是建立線程時設定的線程屬性 （見下）。pthread_create()的傳回值表示線程建立是否成功。儘管arg是void *類型的變數，但它同樣可以作為任意類型的參數傳給 start_routine()函數；同時，start_routine()可以返回一個void *類型的傳回值，而這個傳回值也可以是其他類型，並由 pthread_join()擷取。

1．3 線程建立屬性
pthread_create()中的attr參數是一個結構指標，結構中的元素分別對應著新線程的運行屬性，主要包括以下幾項：

__detachstate，表示新線程是否與進程中其他線程脫離同步，如果置位則新線程不能用pthread_join()來同步，且在退出時自 行釋放所佔用的資源。預設為PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。這個屬性也可以線上程建立並運行以後用pthread_detach ()來設定，而一旦設定為PTHREAD_CREATE_DETACH狀態（不論是建立時設定還是運行時設定）則不能再恢複到  PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。

__schedpolicy，表示新線程的調度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非即時）、SCHED_RR（即時、輪轉法）和  SCHED_FIFO（即時、先入先出）三種，預設為SCHED_OTHER，後兩種調度策略僅對超級使用者有效。運行時可以用過  pthread_setschedparam()來改變。

__schedparam，一個struct sched_param結構，目前僅有一個sched_priority整型變數表示線程的運行優先 級。這個參數僅當調度策略為即時（即SCHED_RR 或SCHED_FIFO）時才有效，並可以在運行時通過 pthread_setschedparam()函數來改變，預設為0。

__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED， 前者表示新線程使用顯式指定調度策略和調度參數（即attr中的值），而後者表示繼承調用者線程的值。預設為 PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope，表示線程間競爭CPU的範圍，也就是說線程優先順序的有效範圍。POSIX的標準中定義了兩個值：  PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示與系統中所有線程一起競爭CPU時間，後者表示僅與 同進程中的線程競爭CPU。目前LinuxThreads僅實現了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t結構中還有一些值，但不使用pthread_create()來設定。

為了設定這些屬性，POSIX定義了一系列屬性設定函數，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個屬性相關的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函數。

1．4 線程建立的Linux實現
我們知道，Linux的線程實現是在核外進行的，核內提供的是建立進程的介面do_fork()。核心提供了兩個系統調用__clone()和fork  ()，最終都用不同的參數調用do_fork()核內API。當然，要想實現線程，沒有核心對多進程（其實是輕量級進程）共用資料區段的支援是不行的，因 此，do_fork()提供了很多參數，包括CLONE_VM（共用記憶體空間）、CLONE_FS（共用檔案系統資訊）、CLONE_FILES（共用文 件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共用訊號控制代碼表）和CLONE_PID（共用進程ID，僅對核內進程，即0號進程有效）。當使用fork系統 調用時，核心調用do_fork()不使用任何共用屬性，進程擁有獨立的運行環境，而使用pthread_create()來建立線程時,則最終設定了所 有這些屬性來調用__clone()，而這些參數又全部傳給核內的do_fork()，從而建立的"進程"擁有共用的運行環境，只有棧是獨立的，由  __clone()傳入。

Linux線程在核內是以輕量級進程的形式存在的，擁有獨立的進程表項，而所有的建立、同步、刪除等操作都在核外pthread庫中進行。 pthread 庫使用一個管理線程（__pthread_manager()，每個進程獨立且唯一）來管理線程的建立和終止，為線程分配線程ID，發送 線程相關的訊號（比如Cancel），而主線程（pthread_create()）的調用者則通過管道將請求資訊傳給管理線程。

二、線程取消

2．1 線程取消的定義
一般情況下，線程在其主體函數退出的時候會自動終止，但同時也可以因為接收到另一個線程發來的終止（取消）請求而強制終止。

2．2 線程取消的語義
線程取消的方法是向目標線程發Cancel訊號，但如何處理Cancel訊號則由目標線程自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續運行至Cancelation-point（取消點），由不同的Cancelation狀態決定。

線程接收到CANCEL訊號的預設處理（即pthread_create()建立線程的預設狀態）是繼續運行至取消點，也就是說設定一個CANCELED狀態，線程繼續運行，只有運行至Cancelation-point的時候才會退出。

2．3 取消點
根據POSIX標準，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、  pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數以及read()、write()等會引起阻塞的 系統調用都是Cancelation-point，而其他pthread函數都不會引起Cancelation動作。但是pthread_cancel的 手冊頁聲稱，由於LinuxThread庫與C庫結合得不好，因而目前C庫函數都不是Cancelation-point；但CANCEL訊號會使線程從 阻塞的系統調用中退出，共置EINTR錯誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統調用前後調用  pthread_testcancel()，從而達到POSIX標準所要求的目標，即如下程式碼片段：

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

2．4 程式設計方面的考慮
如果線程處於無限迴圈中，且迴圈體內沒有執行至取消點的必然路徑，則線程無法由外部其他線程的取消請求而終止。因此在這樣的迴圈體的必經路徑上應該加入pthread_testcancel()調用。

2．5 與線程取消相關的pthread函數
int pthread_cancel(pthread_t thread)
發送終止訊號給thread線程，如果成功則返回0，否則為非0值。發送成功並不意味著thread會終止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
設定本線程對Cancel訊號的反應，state有兩種值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（預設）和  PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分別表示收到訊號後設為CANCLED狀態和忽略CANCEL訊號繼續運行；old_state如果不 為 NULL則存入原來的Cancel狀態以便恢複。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
設定本線程取消動作的執行時機，type由兩種取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和  PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，僅當Cancel狀態為Enable時有效，分別表示收到訊號後繼續運行至下一個取消點再退出 和立即執行取消動作（退出）；oldtype如果不為NULL則存入運來的取消動作類型值。

void pthread_testcancel(void)
檢查本線程是否處於Canceld狀態，如果是，則進行取消動作，否則直接返回。