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POSIX 线程详解

      一种支持内存共享的简捷工具

    作者:Daniel Robbins

    内容:


    线程是有趣的
    线程是快捷的
    线程是可移植的
    第一个线程
    无父,无子
    同步漫游
    参考资料
    关于作者

 

    POSIX(可移植操作系统接口)线程是提高代码响应和性能的有力手段。在本系列中,Daniel Robbins 向您精确地展示在编程中如何使用线程。其中还涉及大量幕后细节,读完本系列文章,您完全可以运用 POSIX 线程创建多线程程序。

    线程是有趣的
    了解如何正确运用线程是每一个优秀程序员必备的素质。线程类似于进程。如同进程,线程由内核按时间分片进行管理。在单处理器系统中,内核使用时间分片来模拟线程的并发执行,这种方式和进程的相同。而在多处理器系统中,如同多个进程,线程实际上一样可以并发执行。

    那么为什么对于大多数合作性任务,多线程比多个独立的进程更优越呢?这是因为,线程共享相同的内存空间。不同的线程可以存取内存中的同一个变量。所以,程序中的所有线程都可以读或写声明过的全局变量。如果曾用 fork() 编写过重要代码,就会认识到这个工具的重要性。为什么呢?虽然 fork() 允许创建多个进程,但它还会带来以下通信问题: 如何让多个进程相互通信,这里每个进程都有各自独立的内存空间。对这个问题没有一个简单的答案。虽然有许多不同种类的本地 IPC (进程间通信),但它们都遇到两个重要障碍:


    强加了某种形式的额外内核开销,从而降低性能。
    对于大多数情形,IPC 不是对于代码的“自然”扩展。通常极大地增加了程序的复杂性。

    双重坏事: 开销和复杂性都非好事。如果曾经为了支持 IPC 而对程序大动干戈过,那么您就会真正欣赏线程提供的简单共享内存机制。由于所有的线程都驻留在同一内存空间,POSIX 线程无需进行开销大而复杂的长距离调用。只要利用简单的同步机制,程序中所有的线程都可以读取和修改已有的数据结构。而无需将数据经由文件描述符转储或挤入紧窄的共享内存空间。仅此一个原因,就足以让您考虑应该采用单进程/多线程模式而非多进程/单线程模式。

    线程是快捷的
    不仅如此。线程同样还是非常快捷的。与标准 fork() 相比,线程带来的开销很小。内核无需单独复制进程的内存空间或文件描述符等等。这就节省了大量的 CPU 时间,使得线程创建比新进程创建快上十到一百倍。因为这一点,可以大量使用线程而无需太过于担心带来的 CPU 或内存不足。使用 fork() 时导致的大量 CPU 占用也不复存在。这表示只要在程序中有意义,通常就可以创建线程。


    当然,和进程一样,线程将利用多 CPU。如果软件是针对多处理器系统设计的,这就真的是一大特性(如果软件是开放源码,则最终可能在不少平台上运行)。特定类型线程程序(尤其是 CPU 密集型程序)的性能将随系统中处理器的数目几乎线性地提高。如果正在编写 CPU 非常密集型的程序,则绝对想设法在代码中使用多线程。一旦掌握了线程编码,无需使用繁琐的 IPC 和其它复杂的通信机制,就能够以全新和创造性的方法解决编码难题。所有这些特性配合在一起使得多线程编程更有趣、快速和灵活。

    线程是可移植的
    如果熟悉 Linux 编程,就有可能知道 __clone() 系统调用。__clone() 类似于 fork(),同时也有许多线程的特性。例如,使用 __clone(),新的子进程可以有选择地共享父进程的执行环境(内存空间,文件描述符等)。这是好的一面。但 __clone() 也有不足之处。正如__clone() 在线帮助指出:

    “__clone 调用是特定于 Linux 平台的,不适用于实现可移植的程序。欲编写线程化应用程序(多线程控制同一内存空间),最好使用实现 POSIX 1003.1c 线程 API 的库,例如 Linux-Threads 库。参阅 pthread_create(3thr)。”

    虽然 __clone() 有线程的许多特性,但它是不可移植的。当然这并不意味着代码中不能使用它。但在软件中考虑使用 __clone() 时应当权衡这一事实。值得庆幸的是,正如 __clone() 在线帮助指出,有一种更好的替代方案:POSIX 线程。如果想编写可移植的多线程代码,代码可运行于 Solaris、FreeBSD、Linux 和其它平台,POSIX 线程是一种当然之选。

    第一个线程
    下面是一个 POSIX 线程的简单示例程序:

    thread1.c
    #include
    #include
    #include

    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);

    }

 


    要编译这个程序,只需先将程序存为 thread1.c,然后输入:

    $ gcc thread1.c -o thread1 -lpthread


 

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