Linux執行緒概述

瞭解如何正確運用執行緒是每一個優秀程式設計師必備的素質。執行緒類似於程序。如同程序，執行緒由核心按時間分片進行管理。在單處理器系統中，核心使用時間分片來模擬執行緒的併發執行，這種方式和程序的相同。而在多處理器系統中，如同多個程序，執行緒實際上一樣可以併發執行。

那麼為什麼對於大多數合作性任務，多執行緒比多個獨立的程序更優越呢？這是因為，執行緒共享相同的記憶體空間。不同的執行緒可以存取記憶體中的同一個變數。所以，程式中的所有執行緒都可以讀或寫宣告過的全域性變數。如果曾用 fork() 編寫過重要程式碼，就會認識到這個工具的重要性。為什麼呢？雖然 fork() 允許建立多個程序，但它還會帶來以下通訊問題: 如何讓多個程序相互通訊，這裡每個程序都有各自獨立的記憶體空間。對這個問題沒有一個簡單的答案。雖然有許多不同種類的本地 IPC (程序間通訊），但它們都遇到兩個重要障礙：強加了某種形式的額外核心開銷，從而降低效能。

執行緒是快捷的不僅如此。執行緒同樣還是非常快捷的。與標準 fork() 相比，執行緒帶來的開銷很小。核心無需單獨複製程序的記憶體空間或檔案描述符等等。這就節省了大量的 CPU 時間，使得執行緒建立比新程序建立快上十到一百倍。因為這一點，可以大量使用執行緒而無需太過於擔心帶來的 CPU 或記憶體不足。使用 fork() 時導致的大量 CPU 佔用也不復存在。這表示只要在程式中有意義，通常就可以建立執行緒。

當然，和程序一樣，執行緒將利用多 CPU。如果軟體是針對多處理器系統設計的，這就真的是一大特性（如果軟體是開放原始碼，則最終可能在不少平臺上執行）。特定型別執行緒程式（尤其是 CPU 密集型程式）的效能將隨系統中處理器的數目幾乎線性地提高。如果正在編寫 CPU 非常密集型的程式，則絕對想設法在程式碼中使用多執行緒。一旦掌握了執行緒編碼，無需使用繁瑣的 IPC 和其它複雜的通訊機制，就能夠以全新和創造性的方法解決編碼難題。所有這些特性配合在一起使得多執行緒程式設計更有趣、快速和靈活。

執行緒是可移植的

雖然 __clone() 有執行緒的許多特性，但它是不可移植的。當然這並不意味著程式碼中不能使用它。但在軟體中考慮使用 __clone() 時應當權衡這一事實。值得慶幸的是，正如 __clone() 線上幫助指出，有一種更好的替代方案：POSIX 執行緒。如果想編寫 可移植的 多執行緒程式碼，程式碼可運行於 Solaris、FreeBSD、Linux 和其它平臺，POSIX 執行緒是一種當然之選。

執行緒建立

執行緒與程序

相對程序而言，執行緒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執行緒共享資料，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執行序列。在序列程式基礎上引入執行緒和程序是為了提高程式的併發度，從而提高程式執行效率和響應時間。

執行緒和程序在使用上各有優缺點：執行緒執行開銷小，但不利於資源的管理和保護；而程序正相反。同時，執行緒適合於在SMP機器上執行，而程序則可以跨機器遷移。

建立執行緒

POSIX通過pthread_create()函式建立執行緒，API定義如下：

與fork()呼叫建立一個程序的方法不同，pthread_create()建立的執行緒並不具備與主執行緒（即呼叫pthread_create()的執行緒）同樣的執行序列，而是使其執行start_routine(arg)函式。thread返回建立的執行緒ID，而attr是建立執行緒時設定的執行緒屬性（見下）。pthread_create()的返回值表示執行緒建立是否成功。儘管arg是void *型別的變數，但它同樣可以作為任意型別的引數傳給start_routine()函式；同時，start_routine()可以返回一個void *型別的返回值，而這個返回值也可以是其他型別，並由pthread_join()獲取。

執行緒建立屬性

pthread_create()中的attr引數是一個結構指標，結構中的元素分別對應著新執行緒的執行屬性，主要包括以下幾項：

__detachstate，表示新執行緒是否與程序中其他執行緒脫離同步，如果置位則新執行緒不能用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執行以後用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執行時設定）則不能再恢復到PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。

__schedpolicy，表示新執行緒的排程策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非實時）、SCHED_RR（實時、輪轉法）和SCHED_FIFO（實時、先入先出）三種，預設為SCHED_OTHER，後兩種排程策略僅對超級使用者有效。執行時可以用過pthread_setschedparam()來改變。

__schedparam，一個struct sched_param結構，目前僅有一個sched_priority整型變量表示執行緒的執行優先順序。這個引數僅當排程策略為實時（即SCHED_RR或SCHED_FIFO）時才有效，並可以在執行時通過pthread_setschedparam()函式來改變，預設為0。

__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表示新執行緒使用顯式指定排程策略和排程引數（即attr中的值），而後者表示繼承呼叫者執行緒的值。預設為PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope，表示執行緒間競爭CPU的範圍，也就是說執行緒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執行緒一起競爭CPU時間，後者表示僅與同進程中的執行緒競爭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式，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個屬性相關的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函式。

執行緒建立的Linux實現

我們知道，Linux的執行緒實現是在核外進行的，核內提供的是建立程序的介面do_fork()。核心提供了兩個系統呼叫__clone()和fork()，最終都用不同的引數呼叫do_fork()核內API。當然，要想實現執行緒，沒有核心對多程序（其實是輕量級程序）共享資料段的支援是不行的，因此，do_fork()提供了很多引數，包括CLONE_VM（共享記憶體空間）、CLONE_FS（共享檔案系統資訊）、CLONE_FILES（共享檔案描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享訊號控制代碼表）和CLONE_PID（共享程序ID，僅對核內程序，即0號程序有效）。當使用fork系統呼叫時，核心呼叫do_fork()不使用任何共享屬性，程序擁有獨立的執行環境，而使用pthread_create()來建立執行緒時,則最終設定了所有這些屬性來呼叫__clone()，而這些引數又全部傳給核內的do_fork()，從而建立的"程序"擁有共享的執行環境，只有棧是獨立的，由__clone()傳入。

Linux執行緒在核內是以輕量級程序的形式存在的，擁有獨立的程序表項，而所有的建立、同步、刪除等操作都在核外pthread庫中進行。pthread庫使用一個管理執行緒（__pthread_manager()，每個程序獨立且唯一）來管理執行緒的建立和終止，為執行緒分配執行緒ID，傳送執行緒相關的訊號（比如Cancel），而主執行緒（pthread_create()）的呼叫者則通過管道將請求資訊傳給管理執行緒。

執行緒取消

執行緒取消的定義

一般情況下，執行緒在其主體函式退出的時候會自動終止，但同時也可以因為接收到另一個執行緒發來的終止（取消）請求而強制終止。

執行緒取消的語義

執行緒取消的方法是向目標執行緒發Cancel訊號，但如何處理Cancel訊號則由目標執行緒自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續執行至Cancelation-point（取消點），由不同的Cancelation狀態決定。

執行緒接收到CANCEL訊號的預設處理（即pthread_create()建立執行緒的預設狀態）是繼續執行至取消點，也就是說設定一個CANCELED狀態，執行緒繼續執行，只有執行至Cancelation-point的時候才會退出。

取消點

根據POSIX標準，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函式以及read()、write()等會引起阻塞的系統呼叫都是Cancelation-point，而其他pthread函式都不會引起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庫函式都不是Cancelation-point；但CANCEL訊號會使執行緒從阻塞的系統呼叫中退出，並置EINTR錯誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統呼叫前後呼叫pthread_testcancel()，從而達到POSIX標準所要求的目標，即如下程式碼段：

程式設計方面的考慮

如果執行緒處於無限迴圈中，且迴圈體內沒有執行至取消點的必然路徑，則執行緒無法由外部其他執行緒的取消請求而終止。因此在這樣的迴圈體的必經路徑上應該加入pthread_testcancel()呼叫。

與執行緒取消相關的pthread函式

int pthread_cancel(pthread_t thread) 傳送終止訊號給thread執行緒，如果成功則返回0，否則為非0值。傳送成功並不意味著thread會終止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate) 設定本執行緒對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訊號繼續執行；old_state如果不為NULL則存入原來的Cancel狀態以便恢復。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype) 設定本執行緒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執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型別值。

void pthread_testcancel(void) 檢查本執行緒是否處於Canceld狀態，如果是，則進行取消動作，否則直接返回。

第一個執行緒

#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
 void *thread_function(void *arg) {
  int i;
  for ( i=0; i<20; i++) {
    printf("Thread says hi!\n");
    sleep(1);
  }
  return NULL;
}
int main(void) {
  pthread_t mythread;
   
  if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) {
    printf("error creating thread.");
    abort();
  }
  if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) {
    printf("error joining thread.");
    abort();
  }
  exit(0);
}

$ ./thread1

下面，我們一步一步地瞭解這個程式是幹什麼的。

main() 中聲明瞭變數 mythread，型別是 pthread_t。pthread_t 型別在 pthread.h 中定義，通常稱為“執行緒 id”（縮寫為 "tid"）。可以認為它是一種執行緒控制代碼。mythread 聲明後（記住 mythread 只是一個 "tid"，或是將要建立的執行緒的控制代碼），呼叫 pthread_create 函式建立一個真實活動的執行緒。不要因為 pthread_create() 在 "if" 語句內而受其迷惑。由於 pthread_create() 執行成功時返回零而失敗時則返回非零值，將 pthread_create() 函式呼叫放在 if() 語句中只是為了方便地檢測失敗的呼叫。讓我們檢視一下 pthread_create 引數。第一個引數 &mythread 是指向 mythread 的指標。第二個引數當前為 NULL，可用來定義執行緒的某些屬性。由於預設的執行緒屬性是適用的，只需將該引數設為 NULL。

也許已推測到，在 pthread_create() 成功返回之後，程式將包含兩個執行緒。等一等， 兩個 執行緒？我們不是隻建立了一個執行緒嗎？不錯，我們只建立了一個程序。但是主程式同樣也是一個執行緒。可以這樣理解：如果編寫的程式根本沒有使用 POSIX 執行緒，則該程式是單執行緒的（這個單執行緒稱為“主”執行緒）。建立一個新執行緒之後程式總共就有兩個執行緒了。

我想此時大家至少有兩個重要問題。第一個問題，新執行緒建立之後主執行緒如何執行。答案，主執行緒按順序繼續執行下一行程式（本例中執行 "if (pthread_join(...))"）。第二個問題，新執行緒結束時如何處理。答案，新執行緒先停止，然後作為其清理過程的一部分，等待與另一個執行緒合併或“連線”。

現在，來看一下 pthread_join()。正如 pthread_create() 將一個執行緒拆分為兩個， pthread_join() 將兩個執行緒合併為一個執行緒。pthread_join() 的第一個引數是 tid mythread。第二個引數是指向 void 指標的指標。如果 void 指標不為 NULL，pthread_join 將執行緒的 void * 返回值放置在指定的位置上。由於我們不必理會 thread_function() 的返回值，所以將其設為 NULL。

如果使用過 fork() 系統呼叫，可能熟悉父程序和子程序的概念。當用 fork() 建立另一個新程序時，新程序是子程序，原始程序是父程序。這建立了可能非常有用的層次關係，尤其是等待子程序終止時。例如，waitpid() 函式讓當前程序等待所有子程序終止。waitpid() 用來在父程序中實現簡單的清理過程。

而 POSIX 執行緒就更有意思。你可能已經注意到我一直有意避免使用“父執行緒”和“子執行緒”的說法。這是因為 POSIX 執行緒中不存在這種層次關係。雖然主執行緒可以建立一個新執行緒，新執行緒可以建立另一個新執行緒，POSIX 執行緒標準將它們視為等同的層次。所以等待子執行緒退出的概念在這裡沒有意義。POSIX 執行緒標準不記錄任何“家族”資訊。缺少家族資訊有一個主要含意：如果要等待一個執行緒終止，就必須將執行緒的 tid 傳遞給pthread_join()。執行緒庫無法為你斷定 tid（ps -efL|grep xxx或者top -Hp可以檢視到開啟的執行緒資訊）。

#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int myglobal;
 void *thread_function(void *arg) {
  int i,j;
  for ( i=0; i<20; i++) {
    j=myglobal;
    j=j+1;
    sleep(1);
    myglobal=j;
  }
  return NULL;
}
int main(void) {
  pthread_t mythread;
  int i;
  if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) {
    printf("error creating thread.");
    abort();
  }
  for ( i=0; i<20; i++) {
    myglobal=myglobal+1;
    sleep(1);
  }
  if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) {
    printf("error joining thread.");
    abort();
  }
  printf("\nmyglobal equals %d\n",myglobal);
  exit(0);
}

要理解這個問題，必須記住執行緒是併發執行的。即使在單處理器系統上執行（核心利用時間分片模擬多工）也是可以的，從程式設計師的角度，想像兩個執行緒是同時執行的。thread2.c 出現問題是因為 thread_function() 依賴以下論據：在 myglobal 加一之前的大約一秒鐘期間不會修改 myglobal。需要有些途徑讓一個執行緒在對 myglobal 做更改時通知其它執行緒“不要靠近”。將在下一篇文章中講解如何做到這一點。