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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。