本章将进一步深入理解进程，了解如何使用多个控制线程（简单得说就是线程）在单进程环境中执行多个任务。
线程概念
每个线程都包含有表示执行环境所必须的信息：线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno变量以及线程私有数据。
一个进程的所有信息对该进程的所有线程都是共享的，包括可执行程序的代码、程序的全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。
线程标识
每个线程都有一个线程ID，线程ID只有在它所属的进程上下文中才有意义。
可以使用下面函数来对两个线程ID进行比较
#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t tid1,pthread_t tid2);
可以通过pthread_self函数获得自身的线程ID
#include <pthread.h> pthread_t pthread_self(void);
线程创建
#include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,const pthread_attr_t *restrict attr,void *(*start_rtn)(void *),void *restrict arg);
当pthread_create成功返回时，新创建线程的线程ID会被设置成tidp指向的内存空间。
attr属性用于定制各种不同的线程属性。
新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg。
下面程序将演示线程的创建，打印出进程ID、新线程的线程ID以及初始线程的线程ID：
1 #include "apue.h" 2 #include <pthread.h> 3 4 pthread_t ntid; 5 6 void 7 printids(const char *s) 8 { 9 pid_t pid; 10 pthread_t tid; 11 12 pid = getpid(); 13 tid = pthread_self(); 14 printf("%s pid %lu tid %lu (0x%lx) ", s, (unsigned long)pid, 15 (unsigned long)tid, (unsigned long)tid); 16 } 17 18 void * 19 thr_fn(void *arg) 20 { 21 printids("new thread: "); 22 return((void *)0); 23 } 24 25 int 26 main(void) 27 { 28 int err; 29 30 err = pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, NULL); 31 if (err != 0) 32 err_exit(err, "can't create thread"); 33 printids("main thread:"); 34 sleep(1); 35 exit(0); 36 }
线程创建时并不能保证哪个线程先会运行：是新创建的线程，还是调用线程。本程序让主线程休眠，确保新线程有机会运行。
线程终止
如果进程中任意线程调用了exit、_Exit或者_exit，那么整个进程就会终止。
单个线程可以通过3种方式退出，因此可以在不终止整个进程的情况下，停止它的控制流。
1 线程可以简单地从启动例程中返回，返回值的线程的退出码。
2 线程可以被同一进程中的其他线程取消。
3 线程调用pthread_exit。
#include <pthread.h> void pthread_exit(void *rval_ptr);
rval_ptr参数是一个无类型指针，进程中的其他线程也可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针
#include <pthread.h> int pthread_join(pthread_t thread,void **rval_ptr);
调用pthread_join后，调用线程将一直阻塞，直到指定的线程退出。
如果线程简单地从它的启动例程返回，rval_ptr将包含返回码。如果线程被取消，由rval_ptr指定的内存单元就设置成PTHREAD_CANCELED。
下面演示如何获取已终止线程的退出码：
1 #include "apue.h" 2 #include <pthread.h> 3 4 void * 5 thr_fn1(void *arg) 6 { 7 printf("thread 1 returning "); 8 return((void *)1); 9 } 10 11 void * 12 thr_fn2(void *arg) 13 { 14 printf("thread 2 exiting "); 15 pthread_exit((void *)2); 16 } 17 18 int 19 main(void) 20 { 21 int err; 22 pthread_t tid1, tid2; 23 void *tret; 24 25 err = pthread_create(&tid1, NULL, thr_fn1, NULL); 26 if (err != 0) 27 err_exit(err, "can't create thread 1"); 28 err = pthread_create(&tid2, NULL, thr_fn2, NULL); 29 if (err != 0) 30 err_exit(err, "can't create thread 2"); 31 err = pthread_join(tid1, &tret); 32 if (err != 0) 33 err_exit(err, "can't join with thread 1"); 34 printf("thread 1 exit code %ld ", (long)tret); 35 err = pthread_join(tid2, &tret); 36 if (err != 0) 37 err_exit(err, "can't join with thread 2"); 38 printf("thread 2 exit code %ld ", (long)tret); 39 exit(0); 40 }
线程可以通过调用pthread_cancel函数来请求取消同一进程中的其他进程。
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t tid);
pthread_cancel并不等待线程终止，它仅仅提出请求，线程可以选择忽略取消或者控制如何被取消。
线程可以安排它退出时需要调用的函数，这与进程在退出时可以用atexit函数安排退出时类似的。
如果线程是通过从它的启动例程中退出返回而终止的话，它的清理处理程序就不会被调用。
#include <pthread.h> void pthread_cleanup_push(void (*rtn)(void *),void *arg); void pthread_cleanup_pop(int execute);
如果execute参数设置为非0，则调用并删除上次pthread_cleanup_push调用建立的清理处理程序。
如果execute参数为0，则清理函数将不被调用（只删除）。
我们可以调用pthread_detach分离线程。
#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);
线程同步
当一个线程可以修改的变量，其他线程可以读取或者修改的时候，我们就需要对这些线程进行同步，确保他们在访问变量的存储内容时不会访问到无效的值。
为了解决这个问题，线程不得不使用锁，同一时间只允许一个线程访问该变量。
互斥量
可以使用pthread的互斥接口来保护数据，确保同一时间只有一个线程访问数据。
互斥量从本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行设置（加锁），在访问完成后释放（解锁）互斥量。
互斥变量使用pthread_mutex_t数据类型表示的。在使用之前，必须对它进行初始化，如果动态分配互斥量，在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。
#include <pthread.h> int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr); int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
要用默认的属性初始化互斥量，只需把attr设为NULL，也可以把互斥量设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只适用于静态分配的互斥量）进行初始化。
互斥量有以下3种功能
#include <pthread.h> int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
可以使用pthread_mutex_lock对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上锁，调用线程将阻塞直到互斥量被解锁。
可以使用pthread_mutex_unlock对互斥量解锁。
如果不希望被阻塞，可以使用pthread_mutex_trylock尝试对互斥量进行加锁。如果互斥量处于未锁住状态，则锁住互斥量，否则返回EBUSY。
避免死锁
如果线程试图对同一个互斥量加锁两次，那么它自身就会陷入死锁状态。
如果两个线程以相反的顺序锁住两个互斥量，也会导致死锁，两个线程都无法向前运行。
在同时需要两个互斥量时，让他们以相同的顺序加锁，这样可以避免死锁。
函数pthread_mutex_timedlock
与pthread_mutex_lock不同的是，pthread_mutex_timedlock允许绑定线程阻塞时间，如果超过时间值，pthread_mutex_timedlock不会对互斥量进行加锁，而是返回错误码ETIMEDOUT。
#include <pthread.h> #include <time.h> int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict tsptr);
下面给出如何用pthread_mutex_timedlock避免永久阻塞
1 #include "apue.h" 2 #include <pthread.h> 3 4 int 5 main(void) 6 { 7 int err; 8 struct timespec tout; 9 struct tm *tmp; 10 char buf[64]; 11 pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 12 13 pthread_mutex_lock(&lock); 14 printf("mutex is locked "); 15 clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout); 16 tmp = localtime(&tout.tv_sec); 17 strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp); 18 printf("current time is %s ", buf); 19 tout.tv_sec += 10; /* 10 seconds from now */ 20 /* caution: this could lead to deadlock */ 21 err = pthread_mutex_timedlock(&lock, &tout); 22 clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout); 23 tmp = localtime(&tout.tv_sec); 24 strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp); 25 printf("the time is now %s ", buf); 26 if (err == 0) 27 printf("mutex locked again! "); 28 else 29 printf("can't lock mutex again: %s ", strerror(err)); 30 exit(0); 31 }
这个程序对已有的互斥量加锁，演示了pthread_mutex_timedlock是如何工作的。
读写锁
读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更高的并行性。
读写锁可以有3种状态：读模式下加锁状态，写模式下加锁状态，不加锁状态。
一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。
1. 当读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个所加锁的线程都会被阻塞。
2. 当读写锁是读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权，但是任何希望以写模式对此进行加锁的线程都会阻塞，知道所有的线程释放它们的读锁为止。
读写锁在使用之前必须初始化，在释放他们底层的内存之前必须销毁。
#include <pthread.h> int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr); int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
下面是读写锁的3种用法
#include <pthread.h> int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
与互斥量一样，读写锁定义了下面两个函数
#include <pthread.h> int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_tryrwrock(pthread_rwlock_t *rwlock);
带有超时的读写锁
与互斥量一样，有两个带有超时的速写锁加锁函数
#include <pthread.h> #include <time.h> int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const struct timespec *restrict tsptr); int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const struct timespec *restrict tsptr);
条件变量
在使用条件变量之前，必须对它进行初始化，在释放底层的内存空间之前，可以使用pthread_cond_destroy函数对条件变量进行反初始化
#include <pthread.h> int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr); int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，然后调用下面函数等待条件变量为真。
#include <pthread.h> int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex); int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict tsptr);
调用者把锁住的互斥量传给函数，函数自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，对互斥量解锁。pthread_cond_wati返回时，互斥量再次被锁住。
pthread_cond_timedwait则添加了一个超时值，如果超过到期时条件还是没有出现，则函数重新获取互斥量，然后返回ETIMEDOUT。
两个函数调用成功返回时，线程需要重新计算条件，因为另一个线程可能已经在运行并改变条件。
下面函数用于通知线程条件已经满足：
#include <pthread.h> int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
phread_cond_signal函数至少能唤醒一个等待该条件的线程，而pthread_cond_broadcast函数则能唤醒等待该条件的所有线程。
下面将结合条件变量和互斥量对线程进行同步
1 #include <pthread.h> 2 3 struct msg { 4 struct msg *m_next; 5 /* ... more stuff here ... */ 6 }; 7 8 struct msg *workq; 9 10 pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 11 12 pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 13 14 void 15 process_msg(void) 16 { 17 struct msg *mp; 18 19 for (;;) { 20 pthread_mutex_lock(&qlock); 21 while (workq == NULL) 22 pthread_cond_wait(&qready, &qlock); 23 mp = workq; 24 workq = mp->m_next; 25 pthread_mutex_unlock(&qlock); 26 /* now process the message mp */ 27 } 28 } 29 30 void 31 enqueue_msg(struct msg *mp) 32 { 33 pthread_mutex_lock(&qlock); 34 mp->m_next = workq; 35 workq = mp; 36 pthread_mutex_unlock(&qlock); 37 pthread_cond_signal(&qready); 38 }
自旋锁
自旋锁与互斥量类似，但它不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（自旋）阻塞状态。
自旋锁可用于以下情况：锁被持有的时间短，而且线程并不希望在重新调度上花费太多的成本。
自旋锁的接口与互斥量的接口类似，提供了以下的5个函数。
#include <pthread.h> int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock,int pshared); int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock); int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock); int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock); int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
屏障
屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。
屏障允许每个线程等待，直到有的合作线程到达某一点，然后从该点继续执行。pthread_join函数就是一种屏障，允许一个线程等待，直到另一个线程退出。
可以使用下面函数对屏障进行初始化跟反初始化
#include <pthread.h> int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier,const pthread_barrierattr_t *restrict attr,unsigned int count); int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);
count参数可以用来指定在允许所有线程继续运行之前，必须到达屏障的线程数目。
可以使用pthread_barrier_wait函数来表明，线程已经完成工作，准备等所有其他线程赶上来
#include <pthread.h>
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);
调用pthread_barrier_wait的线程在屏障计数（调用pthread_barrier_init时设定）未满足条件时，会进入休眠状态。
如果该线程是最后一个调用pthread_barrier_wait的线程，就满足了屏障计数，所有的线程都被唤醒。
下面给出在一个任务上合作的多个线程之间如何用屏障进行同步
1 #include "apue.h" 2 #include <pthread.h> 3 #include <limits.h> 4 #include <sys/time.h> 5 6 #define NTHR 8 /* number of threads */ 7 #define NUMNUM 8000000L /* number of numbers to sort */ 8 #define TNUM (NUMNUM/NTHR) /* number to sort per thread */ 9 10 long nums[NUMNUM]; 11 long snums[NUMNUM]; 12 13 pthread_barrier_t b; 14 15 #ifdef SOLARIS 16 #define heapsort qsort 17 #else 18 extern int heapsort(void *, size_t, size_t, 19 int (*)(const void *, const void *)); 20 #endif 21 22 /* 23 * Compare two long integers (helper function for heapsort) 24 */ 25 int 26 complong(const void *arg1, const void *arg2) 27 { 28 long l1 = *(long *)arg1; 29 long l2 = *(long *)arg2; 30 31 if (l1 == l2) 32 return 0; 33 else if (l1 < l2) 34 return -1; 35 else 36 return 1; 37 } 38 39 /* 40 * Worker thread to sort a portion of the set of numbers. 41 */ 42 void * 43 thr_fn(void *arg) 44 { 45 long idx = (long)arg; 46 47 heapsort(&nums[idx], TNUM, sizeof(long), complong); 48 pthread_barrier_wait(&b); 49 50 /* 51 * Go off and perform more work ... 52 */ 53 return((void *)0); 54 } 55 56 /* 57 * Merge the results of the individual sorted ranges. 58 */ 59 void 60 merge() 61 { 62 long idx[NTHR]; 63 long i, minidx, sidx, num; 64 65 for (i = 0; i < NTHR; i++) 66 idx[i] = i * TNUM; 67 for (sidx = 0; sidx < NUMNUM; sidx++) { 68 num = LONG_MAX; 69 for (i = 0; i < NTHR; i++) { 70 if ((idx[i] < (i+1)*TNUM) && (nums[idx[i]] < num)) { 71 num = nums[idx[i]]; 72 minidx = i; 73 } 74 } 75 snums[sidx] = nums[idx[minidx]]; 76 idx[minidx]++; 77 } 78 } 79 80 int 81 main() 82 { 83 unsigned long i; 84 struct timeval start, end; 85 long long startusec, endusec; 86 double elapsed; 87 int err; 88 pthread_t tid; 89 90 /* 91 * Create the initial set of numbers to sort. 92 */ 93 srandom(1); 94 for (i = 0; i < NUMNUM; i++) 95 nums[i] = random(); 96 97 /* 98 * Create 8 threads to sort the numbers. 99 */ 100 gettimeofday(&start, NULL); 101 pthread_barrier_init(&b, NULL, NTHR+1); 102 for (i = 0; i < NTHR; i++) { 103 err = pthread_create(&tid, NULL, thr_fn, (void *)(i * TNUM)); 104 if (err != 0) 105 err_exit(err, "can't create thread"); 106 } 107 pthread_barrier_wait(&b); 108 merge(); 109 gettimeofday(&end, NULL); 110 111 /* 112 * Print the sorted list. 113 */ 114 startusec = start.tv_sec * 1000000 + start.tv_usec; 115 endusec = end.tv_sec * 1000000 + end.tv_usec; 116 elapsed = (double)(endusec - startusec) / 1000000.0; 117 printf("sort took %.4f seconds ", elapsed); 118 for (i = 0; i < NUMNUM; i++) 119 printf("%ld ", snums[i]); 120 exit(0); 121 }
在这个实例中，使用8个线程分解了800万个数的排序工作。每个线程用堆排序算法对100万个数进行排序，然后主线程调用一个函数对这些结果进行合并。