多线程编程简介

浏览数：54 / 时间：2015年06月08日

1 引言
　　线程（thread）技术早在60年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在80年代中期，solaris是这方面的佼佼者。传统的Unix 也支持线程的概念，但是在一个进程（process）中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括 Windows/NT，当然，也包括Linux。
　　为什么有了进程的概念后，还要再引入线程呢？使用多线程到底有哪些好处？什么的系统应该选用多线程？我们首先必须回答这些问题。
　　使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。
　　使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。
　　除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：
　　1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。
　　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。
　　下面我们先来尝试编写一个简单的多线程程序。

2 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 example1.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：
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。
　　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。

3 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。
　　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。
　　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。
　　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>
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。
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
sched_param param;
int newprio=20;

pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_getschedparam(&attr, &param);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);
pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);
　　
4 线程的数据处理
　　和进程相比，线程的最大优点之一是数据的共享性，各个进程共享父进程处沿袭的数据段，可以方便的获得、修改数据。但这也给多线程编程带来了许多问题。我们必须当心有多个不同的进程访问相同的变量。许多函数是不可重入的，即同时不能运行一个函数的多个拷贝（除非使用不同的数据段）。在函数中声明的静态变量常常带来问题，函数的返回值也会有问题。因为如果返回的是函数内部静态声明的空间的地址，则在一个线程调用该函数得到地址后使用该地址指向的数据时，别的线程可能调用此函数并修改了这一段数据。在进程中共享的变量必须用关键字volatile来定义，这是为了防止编译器在优化时（如gcc中使用-OX参数）改变它们的使用方式。为了保护变量，我们必须使用信号量、互斥等方法来保证我们对变量的正确使用。下面，我们就逐步介绍处理线程数据时的有关知识。

4.1 线程数据
　　在单线程的程序里，有两种基本的数据：全局变量和局部变量。但在多线程程序里，还有第三种数据类型：线程数据（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局变量很象，在线程内部，各个函数可以象使用全局变量一样调用它，但它对线程外部的其它线程是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。例如我们常见的变量errno，它返回标准的出错信息。它显然不能是一个局部变量，几乎每个函数都应该可以调用它；但它又不能是一个全局变量，否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。要实现诸如此类的变量，我们就必须使用线程数据。我们为每个线程数据创建一个键，它和这个键相关联，在各个线程里，都使用这个键来指代线程数据，但在不同的线程里，这个键代表的数据是不同的，在同一个线程里，它代表同样的数据内容。
　　和线程数据相关的函数主要有4个：创建一个键；为一个键指定线程数据；从一个键读取线程数据；删除键。
　　创建键的函数原型为：
　　extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,
　　void (*__destr_function) (void *)));
　　第一个参数为指向一个键值的指针，第二个参数指明了一个destructor函数，如果这个参数不为空，那么当每个线程结束时，系统将调用这个函数来释放绑定在这个键上的内存块。这个函数常和函数pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用，为了让这个键只被创建一次。函数pthread_once声明一个初始化函数，第一次调用pthread_once时它执行这个函数，以后的调用将被它忽略。

　　在下面的例子中，我们创建一个键，并将它和某个数据相关联。我们要定义一个函数 createWindow，这个函数定义一个图形窗口（数据类型为Fl_Window *，这是图形界面开发工具FLTK中的数据类型）。由于各个线程都会调用这个函数，所以我们使用线程数据。
/* 声明一个键*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函数 createWindow */
void createWindow ( void ) {
Fl_Window * win;
static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
/* 调用函数createMyKey，创建键*/
pthread_once ( & once, createMyKey) ;
/*win指向一个新建立的窗口*/
win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");
/* 对此窗口作一些可能的设置工作，如大小、位置、名称等*/
setWindow(win);
/* 将窗口指针值绑定在键myWinKey上*/
pthread_setpecific ( myWinKey, win);
}

/* 函数 createMyKey，创建一个键，并指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);
}

/* 函数 freeWinKey，释放空间*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
delete win;
}

　　这样，在不同的线程中调用函数createMyWin，都可以得到在线程内部均可见的窗口变量，这个变量通过函数 pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我们已经使用了函数pthread_setspecific来将线程数据和一个键绑定在一起。这两个函数的原型如下：
　　extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer));
　　extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));
　　这两个函数的参数意义和使用方法是显而易见的。要注意的是，用pthread_setspecific为一个键指定新的线程数据时，必须自己释放原有的线程数据以回收空间。这个过程函数pthread_key_delete用来删除一个键，这个键占用的内存将被释放，但同样要注意的是，它只释放键占用的内存，并不释放该键关联的线程数据所占用的内存资源，而且它也不会触发函数pthread_key_create中定义的destructor函数。线程数据的释放必须在释放键之前完成。

4.2 互斥锁
　　互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码。必要性显而易见：假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的。
　　我们先看下面一段代码。这是一个读/写程序，它们公用一个缓冲区，并且我们假定一个缓冲区只能保存一条信息。即缓冲区只有两个状态：有信息或没有信息。

void reader_function ( void );
void writer_function ( void );

char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main ( void ){
pthread_t reader;
/* 定义延迟时间*/
delay.tv_sec = 2;
delay.tv_nec = 0;
/* 用默认属性初始化一个互斥锁对象*/
pthread_mutex_init (&mutex,NULL);
pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);
writer_function( );
}

void writer_function (void){
while(1){
/* 锁定互斥锁*/
pthread_mutex_lock (&mutex);
if (buffer_has_item==0){
buffer=make_new_item( );
buffer_has_item=1;
}
/* 打开互斥锁*/
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}

void reader_function(void){
while(1){
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(buffer_has_item==1){
consume_item(buffer);
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}
　　这里声明了互斥锁变量mutex，结构pthread_mutex_t为不公开的数据类型，其中包含一个系统分配的属性对象。函数 pthread_mutex_init用来生成一个互斥锁。NULL参数表明使用默认属性。如果需要声明特定属性的互斥锁，须调用函数 pthread_mutexattr_init。函数pthread_mutexattr_setpshared和函数 pthread_mutexattr_settype用来设置互斥锁属性。前一个函数设置属性pshared，它有两个取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用来不同进程中的线程同步，后者用于同步本进程的不同线程。在上面的例子中，我们使用的是默认属性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用来设置互斥锁类型，可选的类型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它们分别定义了不同的上所、解锁机制，一般情况下，选用最后一个默认属性。
　　 pthread_mutex_lock声明开始用互斥锁上锁，此后的代码直至调用pthread_mutex_unlock为止，均被上锁，即同一时间只能被一个线程调用执行。当一个线程执行到pthread_mutex_lock处时，如果该锁此时被另一个线程使用，那此线程被阻塞，即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁。在上面的例子中，我们使用了pthread_delay_np函数，让线程睡眠一段时间，就是为了防止一个线程始终占据此函数。
　　上面的例子非常简单，就不再介绍了，需要提出的是在使用互斥锁的过程中很有可能会出现死锁：两个线程试图同时占用两个资源，并按不同的次序锁定相应的互斥锁，例如两个线程都需要锁定互斥锁1和互斥锁2，a线程先锁定互斥锁1，b线程先锁定互斥锁2，这时就出现了死锁。此时我们可以使用函数 pthread_mutex_trylock，它是函数pthread_mutex_lock的非阻塞版本，当它发现死锁不可避免时，它会返回相应的信息，程序员可以针对死锁做出相应的处理。另外不同的互斥锁类型对死锁的处理不一样，但最主要的还是要程序员自己在程序设计注意这一点。

4.3 条件变量
　　前一节中我们讲述了如何使用互斥锁来实现线程间数据的共享和通信，互斥锁一个明显的缺点是它只有两种状态：锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足，它常和互斥锁一起使用。使用时，条件变量被用来阻塞一个线程，当条件不满足时，线程往往解开相应的互斥锁并等待条件发生变化。一旦其它的某个线程改变了条件变量，它将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。这些线程将重新锁定互斥锁并重新测试条件是否满足。一般说来，条件变量被用来进行线承间的同步。
　　条件变量的结构为pthread_cond_t，函数pthread_cond_init（）被用来初始化一个条件变量。它的原型为：
　　extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));
　　其中cond是一个指向结构pthread_cond_t的指针，cond_attr是一个指向结构pthread_condattr_t的指针。结构 pthread_condattr_t是条件变量的属性结构，和互斥锁一样我们可以用它来设置条件变量是进程内可用还是进程间可用，默认值是 PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此条件变量被同一进程内的各个线程使用。注意初始化条件变量只有未被使用时才能重新初始化或被释放。释放一个条件变量的函数为pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。　
　　函数pthread_cond_wait（）使线程阻塞在一个条件变量上。它的函数原型为：
　　extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,
　　pthread_mutex_t *__mutex));
　　线程解开mutex指向的锁并被条件变量cond阻塞。线程可以被函数pthread_cond_signal和函数pthread_cond_broadcast唤醒，但是要注意的是，条件变量只是起阻塞和唤醒线程的作用，具体的判断条件还需用户给出，例如一个变量是否为0等等，这一点我们从后面的例子中可以看到。线程被唤醒后，它将重新检查判断条件是否满足，如果还不满足，一般说来线程应该仍阻塞在这里，被等待被下一次唤醒。这个过程一般用while语句实现。
　　另一个用来阻塞线程的函数是pthread_cond_timedwait（），它的原型为：
　　extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,
　　pthread_mutex_t *__mutex, __const struct timespec *__abstime));
　　它比函数pthread_cond_wait（）多了一个时间参数，经历abstime段时间后，即使条件变量不满足，阻塞也被解除。
　　函数pthread_cond_signal（）的原型为：
　　extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));
　　它用来释放被阻塞在条件变量cond上的一个线程。多个线程阻塞在此条件变量上时，哪一个线程被唤醒是由线程的调度策略所决定的。要注意的是，必须用保护条件变量的互斥锁来保护这个函数，否则条件满足信号又可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数之间被发出，从而造成无限制的等待。下面是使用函数pthread_cond_wait（）和函数pthread_cond_signal（）的一个简单的例子。

pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count　() {
pthread_mutex_lock (&count_lock);
while(count==0)
pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);
count=count -1;
pthread_mutex_unlock (&count_lock);
}

increment_count(){
pthread_mutex_lock(&count_lock);
if(count==0)
pthread_cond_signal(&count_nonzero);
count=count+1;
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}
　　count值为0时，decrement函数在pthread_cond_wait处被阻塞，并打开互斥锁count_lock。此时，当调用到函数increment_count时，pthread_cond_signal（）函数改变条件变量，告知decrement_count（）停止阻塞。读者可以试着让两个线程分别运行这两个函数，看看会出现什么样的结果。
　　函数pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用来唤醒所有被阻塞在条件变量cond上的线程。这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁，所以必须小心使用这个函数。

4.4 信号量
　　信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。下面我们逐个介绍和信号量有关的一些函数，它们都在头文件 /usr/include/semaphore.h中定义。
　　信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。函数sem_init（）用来初始化一个信号量。它的原型为：
　　extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));
　　sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为０时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。
　　函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。
　　函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。
　　函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。
　　下面我们来看一个使用信号量的例子。在这个例子中，一共有4个线程，其中两个线程负责从文件读取数据到公共的缓冲区，另两个线程从缓冲区读取数据作不同的处理（加和乘运算）。
/* File sem.c */
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define MAXSTACK 100
int stack[MAXSTACK][2];
int size=0;
sem_t sem;
/* 从文件1.dat读取数据，每读一次，信号量加一*/
void ReadData1(void){
FILE *fp=fopen("1.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*从文件2.dat读取数据*/
void ReadData2(void){
FILE *fp=fopen("2.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/
void HandleData1(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Plus:%d+%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]+stack[size][1]);
--size;
}
}

void HandleData2(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Multiply:%d*%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]*stack[size][1]);
--size;
}
}
int main(void){
pthread_t t1,t2,t3,t4;
sem_init(&sem,0,0);
pthread_create(&t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL);
pthread_create(&t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL);
pthread_create(&t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL);
pthread_create(&t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL);
/* 防止程序过早退出，让它在此无限期等待*/
pthread_join(t1,NULL);
}

　　在Linux下，我们用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可执行文件sem。我们事先编辑好数据文件1.dat和2.dat，假设它们的内容分别为1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，我们运行sem，得到如下的结果：
Multiply:-1*-2=2
Plus:-1+-2=-3
Multiply:9*10=90
Plus:-9+-10=-19
Multiply:-7*-8=56
Plus:-5+-6=-11
Multiply:-3*-4=12
Plus:9+10=19
Plus:7+8=15
Plus:5+6=11

　　从中我们可以看出各个线程间的竞争关系。而数值并未按我们原先的顺序显示出来这是由于size这个数值被各个线程任意修改的缘故。这也往往是多线程编程要注意的问题。

5 小结
　　多线程编程是一个很有意思也很有用的技术，使用多线程技术的网络蚂蚁是目前最常用的下载工具之一，使用多线程技术的grep比单线程的grep要快上几倍，类似的例子还有很多。希望大家能用多线程技术写出高效实用的好程序来。

http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppsl/20081010/149882.html

第1节背景
为了更好的理解多线程的概念，先对进程，线程的概念背景做一下简单介绍。

早期的计算机系统都只允许一个程序独占系统资源，一次只能执行一个程序。在大型机年代，计算能力是一种宝贵资源。对于资源拥有方来说，最好的生财之道自然是将同一资源同时租售给尽可能多的用户。最理想的情况是垄断全球计算市场。所以不难理解为何当年IBM预测“全球只要有4台计算机就够了”。

这种背景下，一个计算机能够支持多个程序并发执行的需求变得十分迫切。由此产生了进程的概念。进程在多数早期多任务操作系统中是执行工作的基本单元。进程是包含程序指令和相关资源的集合。每个进程和其他进程一起参与调度，竞争CPU，内存等系统资源。每次进程切换，都存在进程资源的保存和恢复动作，这称为上下文切换。

进程的引入可以解决支持多用户的问题，但是多进程系统也在如下方面产生了新的问题：
进程频繁切换引起的额外开销可能会严重影响系统性能。
进程间通信要求复杂的系统级实现。

在程序功能日趋复杂的情况下，上述缺陷也就凸现出来。比如，一个简单的GUI程序，为了有更好的交互性，通常用一个任务支持界面交互，另一个任务支持后台运算。如果每个任务均由一个进程来实现，那会相当低效。对每个进程来说，系统资源看上去都是其独占的。比如内存空间，每个进程认为自己的内存空间是独有的。一次切换，这些独立资源都需要切换。

由此就演化出了利用分配给同一个进程的资源，尽量实现多个任务的方法。这也就引入了线程的概念。同一个进程内部的多个线程，共享的是同一个进程的所有资源。

比如，与每个进程独有自己的内存空间不同，同属一个进程的多个线程共享该进程的内存空间。例如在进程地址空间中有一个全局变量globalVar，若A线程将其赋值为1，则另一线程B可以看到该变量值为1。两个线程看到的全局变量globalVar是同一个变量。

通过线程可以支持同一个应用程序内部的并发，免去了进程频繁切换的开销，另外并发任务间通信也更简单。

目前多线程应用主要用于两大领域：网络应用和嵌入式应用。为什么在这两个领域应用较多呢因为多线程应用能够解决两大问题：
并发。网络程序具有天生的并发性。比如网络数据库可能需要同时处理数以千计的请求。而由于网络连接的时延不确定性和不可靠性，一旦等待一次网络交互，可以让当前线程进入睡眠，退出调度，处理其他线程。这样就能够有效利用系统资源，充分发挥系统处理能力。
实时。线程的切换是轻量级的，所以可以保证足够快。每当有事件发生，状态改变，都能有线程及时响应，而且每次线程内部处理的计算强度和复杂度都不大。在这种情况下，多线程实现的模型也是高效的。

在有些语言中，对多线程或者并发的支持是直接内建在语言中的，比如Ada和VHDL。在C++里面，对多线程的支持由具体操作系统提供的函数接口支持。不同的系统中具体实现方法不同。后面所有例子只给出windows和Unix/Linux的实现。

在后面的实现中，考虑的是尽量封装隔离底层的多线程函数接口，屏蔽操作系统底层的线程实现具体细节，介绍的重点是多线程编程中较通用的概念。同时也尽量体现C++面向对象的一面。

最后，由于空闲时间有限，我只求示例代码能够明确表达自己的意思即可。至于代码的尽善尽美就只能有劳各位尽力以为之了。

第2节   线程的创建
本节介绍如下内容
      线程状态
      线程运行环境
      线程类定义
      示例程序
      线程类的Windows和Unix实现
线程状态
在一个线程的生存期内，可以在多种状态之间转换。不同操作系统可以实现不同的线程模型，定义许多不同的线程状态，每个状态还可以包含多个子状态。但大体说来，如下几种状态是通用的：
      就绪：参与调度，等待被执行。一旦被调度选中，立即开始执行。
      运行：占用CPU，正在运行中。
      休眠：暂不参与调度，等待特定事件发生。
      中止：已经运行完毕，等待回收线程资源（要注意，这个很容易误解，后面解释）。
线程环境
线程存在于进程之中。进程内所有全局资源对于内部每个线程均是可见的。
进程内典型全局资源有如下几种：
      代码区。这意味着当前进程空间内所有可见的函数代码，对于每个线程来说也是可见的。
      静态存储区。全局变量。静态变量。
      动态存储区。也就是堆空间。
线程内典型的局部资源有：
      本地栈空间。存放本线程的函数调用栈，函数内部的局部变量等。
      部分寄存器变量。例如本线程下一步要执行代码的指针偏移量。

一个进程发起之后，会首先生成一个缺省的线程，通常称这个线程为主线程。C/C++程序中主线程就是通过main函数进入的线程。由主线程衍生的线程称为从线程，从线程也可以有自己的入口函数，作用相当于主线程的main函数。

这个函数由用户指定。Pthread和winapi中都是通过传入函数指针实现。在指定线程入口函数时，也可以指定入口函数的参数。就像main函数有固定的格式要求一样，线程的入口函数一般也有固定的格式要求，参数通常都是void *类型，返回类型在pthread中是void *, winapi中是unsigned int，而且都需要是全局函数。

最常见的线程模型中，除主线程较为特殊之外，其他线程一旦被创建，相互之间就是对等关系 (peer to peer)，不存在隐含的层次关系。每个进程可以创建的最大线程数由具体实现决定。

为了更好的理解上述概念，下面通过具体代码来详细说明。
线程类接口定义
一个线程类无论具体执行什么任务，其基本的共性无非就是
      创建并启动线程
      停止线程
      另外还有就是能睡，能等，能分离执行（有点拗口，后面再解释）。
      还有其他的可以继续加…
将线程的概念加以抽象，可以为其定义如下的类：
文件 thread.h

显示代码打印
01 #ifndef __THREAD__H_

02 #define __THREAD__H_

03 class Thread

04 {

05 public:

06 Thread();

07 virtual ~Thread();

08 int start (void * = NULL);

09 void stop();

10 void sleep (int);

11 void detach();

12 void * wait();

13 protected:

14 virtual void * run(void *) = 0;

15 private:

16 //这部分win和unix略有不同，先不定义，后面再分别实现。

17 //顺便提一下，我很不习惯写中文注释，这里为了更明白一

18 //点还是选用中文。

19 …

20 };

21 #endif
Thread::start()函数是线程启动函数，其输入参数是无类型指针。
Thread::stop()函数中止当前线程。
Thread::sleep()函数让当前线程休眠给定时间，单位为秒。
Thread::run()函数是用于实现线程类的线程函数调用。
Thread::detach()和thread::wait()函数涉及的概念略复杂一些。在稍后再做解释。

Thread类是一个虚基类，派生类可以重载自己的线程函数。下面是一个例子。

示例程序

代码写的都不够精致，暴力类型转换比较多，欢迎有闲阶级美化，谢过了先。
文件create.h

显示代码打印
01 #ifndef __CREATOR__H_

02 #define __CREATOR__H_

04 #include <stdio.h>

05 #include "thread.h"

07 class Create: public Thread

08 {

09 protected:

10 void * run(void * param)

11 {

12 char * msg = (char*) param;

13 printf ("%s\n", msg);

14 //sleep(100); 可以试着取消这行注释，看看结果有什么不同。

15 printf("One day past.\n");

16 return NULL;

17 }

18 };

19 #endif

然后，实现一个main函数，来看看具体效果：
文件Genesis.cpp

显示代码打印
01 #include <stdio.h>

02 #include "create.h"

04 int main(int argc, char** argv)

05 {

06 Create monday;

07 Create tuesday;

09 printf("At the first God made the heaven and the earth.\n");

10 monday.start("Naming the light, Day, and the dark, Night, the first day.");

11 tuesday.start("Gave the arch the name of Heaven, the second day.");

12 printf("These are the generations of the heaven and the earth.\n");

14 return 0;

15 }

编译运行，程序输出如下：
At the first God made the heaven and the earth.
These are the generations of the heaven and the earth.
令人惊奇的是，由周一和周二对象创建的子线程似乎并没有执行！这是为什么呢别急，在最后的printf语句之前加上如下语句：
monday.wait();
tuesday.wait();
重新编译运行，新的输出如下：
At the first God made the heaven and the earth.
Naming the light, Day, and the dark, Night, the first day.
One day past.
Gave the arch the name of Heaven, the second day.
One day past.
These are the generations of the heaven and the earth.

为了说明这个问题，需要了解前面没有解释的Thread::detach()和Thread::wait()两个函数的含义。

无论在windows中，还是Posix中，主线程和子线程的默认关系是：
无论子线程执行完毕与否，一旦主线程执行完毕退出，所有子线程执行都会终止。这时整个进程结束或僵死（部分线程保持一种终止执行但还未销毁的状态，而进程必须在其所有线程销毁后销毁，这时进程处于僵死状态），在第一个例子的输出中，可以看到子线程还来不及执行完毕，主线程的main()函数就已经执行完毕，从而所有子线程终止。

需要强调的是，线程函数执行完毕退出，或以其他非常方式终止，线程进入终止态（请回顾上面说的线程状态），但千万要记住的是，进入终止态后，为线程分配的系统资源并不一定已经释放，而且可能在系统重启之前，一直都不能释放。终止态的线程，仍旧作为一个线程实体存在与操作系统中。（这点在win和unix中是一致的。）而什么时候销毁线程，取决于线程属性。

通常，这种终止方式并非我们所期望的结果，而且一个潜在的问题是未执行完就终止的子线程，除了作为线程实体占用系统资源之外，其线程函数所拥有的资源（申请的动态内存，打开的文件，打开的网络端口等）也不一定能释放。所以，针对这个问题，主线程和子线程之间通常定义两种关系：
可会合(joinable)。这种关系下，主线程需要明确执行等待操作。在子线程结束后，主线程的等待操作执行完毕，子线程和主线程会合。这时主线程继续执行等待操作之后的下一步操作。主线程必须会合可会合的子线程，Thread类中，这个操作通过在主线程的线程函数内部调用子线程对象的wait()函数实现。这也就是上面加上三个wait()调用后显示正确的原因。必须强调的是，即使子线程能够在主线程之前执行完毕，进入终止态，也必需显示执行会合操作，否则，系统永远不会主动销毁线程，分配给该线程的系统资源（线程id或句柄，线程管理相关的系统资源）也永远不会释放。
相分离(detached)。顾名思义，这表示子线程无需和主线程会合，也就是相分离的。这种情况下，子线程一旦进入终止态，系统立即销毁线程，回收资源。无需在主线程内调用wait()实现会合。Thread类中，调用detach()使线程进入detached状态。这种方式常用在线程数较多的情况，有时让主线程逐个等待子线程结束，或者让主线程安排每个子线程结束的等待顺序，是很困难或者不可能的。所以在并发子线程较多的情况下，这种方式也会经常使用。
缺省情况下，创建的线程都是可会合的。可会合的线程可以通过调用detach()方法变成相分离的线程。但反向则不行。

UNIX实现

文件 thread.h

显示代码打印
001 #ifndef __THREAD__H_

002 #define __THREAD__H_

003 class Thread

004 {

005 public:

006 Thread();

007 virtual ~Thread();

008 int start (void * = NULL);

009 void stop();

010 void sleep (int);

011 void detach();

012 void * wait();

013 protected:

014 virtual void * run(void *) = 0;

015 private:

016 pthread_t handle;

017 bool started;

018 bool detached;

019 void * threadFuncParam;

020 friend void * threadFunc(void *);

021 };

022

023 //pthread中线程函数必须是一个全局函数，为了解决这个问题

024 //将其声明为静态，以防止此文件之外的代码直接调用这个函数。

025 //此处实现采用了称为Virtual friend function idiom 的方法。

026 Static void * threadFunc(void *);

027 #endif

028

029 文件thread.cpp

030 #include <pthread.h>

031 #include <sys/time.h>

032 #include “thread.h”

033

034 static void * threadFunc (void * threadObject)

035 {

036 Thread * thread = (Thread *) threadObject;

037 return thread->run(thread->threadFuncParam);

038 }

039

040 Thread::Thread()

041 {

042 started = detached = false;

043 }

044

045 Thread::~Thread()

046 {

047 stop();

048 }

049

050 bool Thread::start(void * param)

051 {

052 pthread_attr_t attributes;

053 pthread_attr_init(&attributes);

054 if (detached)

055 {

056 pthread_attr_setdetachstate(&attributes, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

057 }

058

059 threadFuncParam = param;

060

061 if (pthread_create(&handle, &attributes, threadFunc, this) == 0)

062 {

063 started = true;

064 }

065

066 pthread_attr_destroy(&attribute);

067 }

068

069

070 void Thread::detach()

071 {

072 if (started && !detached)

073 {

074 pthread_detach(handle);

075 }

076 detached = true;

077 }

078

079 void * Thread::wait()

080 {

081 void * status = NULL;

082 if (started && !detached)

083 {

084 pthread_join(handle, &status);

085 }

086 return status;

087 }

088

089 void Thread::stop()

090 {

091 if (started && !detached)

092 {

093 pthread_cancel(handle);

094 pthread_detach(handle);

095 detached = true;

096 }

097 }

098

099 void Thread::sleep(unsigned int milliSeconds)

100 {

101 timeval timeout = { milliSeconds/1000, millisecond%1000};

102 select(0, NULL, NULL, NULL, &timeout);

103 }

Windows实现

文件thread.h

显示代码打印
001 #ifndef _THREAD_SPECIFICAL_H__

002 #define _THREAD_SPECIFICAL_H__

003

004 #include <windows.h>

005

006 static unsigned int __stdcall threadFunction(void *);

007

008 class Thread {

009 friend unsigned int __stdcall threadFunction(void *);

010 public:

011 Thread();

012 virtual ~Thread();

013 int start(void * = NULL);

014 void * wait();

015 void stop();

016 void detach();

017 static void sleep(unsigned int);

018

019 protected:

020 virtual void * run(void *) = 0;

021

022 private:

023 HANDLE threadHandle;

024 bool started;

025 bool detached;

026 void * param;

027 unsigned int threadID;

028 };

029

030 #endif

031

032 文件thread.cpp

033 #include "stdafx.h"

034 #include <process.h>

035 #include "thread.h"

036

037 unsigned int __stdcall threadFunction(void * object)

038 {

039 Thread * thread = (Thread *) object;

040 return (unsigned int ) thread->run(thread->param);

041 }

042

043 Thread::Thread()

044 {

045 started = false;

046 detached = false;

047 }

048

049 Thread::~Thread()

050 {

051 stop();

052 }

053

054 int Thread::start(void* pra)

055 {

056 if (!started)

057 {

058 param = pra;

059 if (threadHandle = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadFunction, this, 0, &threadID))

060 {

061 if (detached)

062 {

063 CloseHandle(threadHandle);

064 }

065 started = true;

066 }

067 }

068 return started;

069 }

070

071 //wait for current thread to end.

072 void * Thread::wait()

073 {

074 DWORD status = (DWORD) NULL;

075 if (started && !detached)

076 {

077 WaitForSingleObject(threadHandle, INFINITE);

078 GetExitCodeThread(threadHandle, &status);

079 CloseHandle(threadHandle);

080 detached = true;

081 }

082

083 return (void *)status;

084 }

085

086 void Thread::detach()

087 {

088 if (started && !detached)

089 {

090 CloseHandle(threadHandle);

091 }

092 detached = true;

093 }

094

095 void Thread::stop()

096 {

097 if (started && !detached)

098 {

099 TerminateThread(threadHandle, 0);

100

101 //Closing a thread handle does not terminate

102 //the associated thread.

103 //To remove a thread object, you must terminate the thread,

104 //then close all handles to the thread.

105 //The thread object remains in the system until

106 //the thread has terminated and all handles to it have been

107 //closed through a call to CloseHandle

108 CloseHandle(threadHandle);

109 detached = true;

110 }

111 }

112

113 void Thread::sleep(unsigned int delay)

114 {

115 ::Sleep(delay);

116 }

小结

本节的主要目的是帮助入门者建立基本的线程概念，以此为基础，抽象出一个最小接口的通用线程类。在示例程序部分，初学者可以体会到并行和串行程序执行的差异。有兴趣的话，大家可以在现有线程类的基础上，做进一步的扩展和尝试。如果觉得对线程的概念需要进一步细化，大家可以进一步扩展和完善现有 Thread类。

想更进一步了解的话，一个建议是，可以去看看其他语言，其他平台的线程库中，线程类抽象了哪些概念。比如Java, perl等跨平台语言中是如何定义的，微软从winapi到dotnet中是如何支持多线程的，其线程类是如何定义的。这样有助于更好的理解线程的模型和基础概念。

另外，也鼓励大家多动手写写代码，在此基础上尝试写一些代码，也会有助于更好的理解多线程程序的特点。比如，先开始的线程不一定先结束。线程的执行可能会交替进行。把printf替换为cout可能会有新的发现，等等。

每个子线程一旦被创建，就被赋予了自己的生命。管理不好的话，一只特例独行的猪是非常让人头痛的。

对于初学者而言，编写多线程程序可能会遇到很多令人手足无措的bug。往往还没到考虑效率，避免死锁等阶段就问题百出，而且很难理解和调试。这是非常正常的，请不要气馁，后续文章会尽量解释各种常见问题的原因，引导大家避免常见错误。目前能想到入门阶段常遇到的问题是：
      内存泄漏，系统资源泄漏。
      程序执行结果混乱，但是在某些点插入sleep语句后结果又正确了。
      程序crash, 但移除或添加部分无关语句后，整个程序正常运行（假相）。
      多线程程序执行结果完全不合逻辑，出于预期。

本文至此，如果自己动手改改，试一些例子，对多线程程序应该多少有一些感性认识了。刚开始只要把基本概念弄懂了，后面可以一步一步搭建出很复杂的类。不过刚开始不要贪多，否则会欲速则不达，越弄越糊涂。

最后，大家见仁见智吧，我在此起到抛砖引玉的作用就很开心了，呵呵。另外文本编辑器的原因，代码如果编译不过，可能需要把标点符号从中文换成英文。

文章出处：飞诺网(www.diybl.com):http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppsl/20081010/149882.html

多线程编程简介,古老的榕树,5-wow.com

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多线程编程简介