原创 LInux高级编程 - 线程（Threads）

4.4 同步（Synchronization）和关键部分（Critical Sections）

• 这两个概念出现的地方实在是太多太多了，看得眼皮都起茧了。原理这里就不说了，我们还是集中看看linux是怎么实现这两个概念的吧。
• Mutex的使用
  • 类型为pthread_mutex_t
  • 初始化的时候调用pthread_mutex_init函数，第一个参数为pthread_mutex_t *，第二个参数为mutex的attribute的指针，类似于thread的初始化，我们可以直接指定NULL。
  • 如果觉得pthread_mutex_init太繁琐，并且你只想使用默认属性的mutex，则把mutex赋值为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER就可以了。
  • 对应的加锁和解锁的函数为pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock，参数都是pthread_mutex_t *
• Mutex的类型
  • fast mutex（缺省）：如果被同一个线程lock一次以上，就会有deadlock
  • recursive mutex：可以被同一个线程多次lock，但是记住必须调用同样次数的pthread_mutex_unlock
  • error-checking mutex：如果同一个线程由于进行了一次以上的lock而造成死锁的话，那么第二次以及第二此之后的lock会返回EDEADLK的错误值
  • 指定Mutex类型的代码：
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutexattr_init (&attr);
    // recursive mutex则使用PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP
    pthread_mutexattr_setkind_np (&attr, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP);
    pthread_mutex_init (&mutex, &attr);
    pthread_mutexattr_destroy (&attr);
• block版本的lock函数pthread_mutex_lock无疑是低效的，非block版本的lock函数是pthread_mutex_trylock
• Semaphore的使用
  • Semaphore的类型是sem_t
  • 初始化的函数是sem_init，第一个参数是sem_t的指针，第二个参数是0（非0代表该semaphore可以被多个进程共享，而目前的GNU不支持这个feature），第三个参数是sem_t的初始值
  • 操作函数分别是sem_wait和sem_post（有些书上也把post叫做signal）
• 条件变量（Condition Variables）
  • 条件变量也是一种实现同步的机制，两个相关的操作是wait和signal。
  • 条件变量没有计数器，也不占内存。因此wait必须在signal之前，如果signal的时候没有正在wait的thread，则signal丢失。
  • 每个条件变量通常都和一个mutex联合使用
• 条件变量的使用
  • 条件变量的类型是pthread_cond_t
  • 初始化的函数是pthread_cond_init，第一个参数是pthread_cond_t的指针，第二个参数是条件变量的属性的指针。
  • 操作函数分别是pthread_cond_wait和pthread_cond_signal。这里需要注意的是 pthread_cond_wait需要的第二个参数是一个mutex，并且在调用wait之前该mutex必须是被lock的，wait函数会自动 unlock该mutex，并且在wait成功后自动继续lock该mutex。

4.5 GNU/Linux中线程的实现

• 这里之所以要特别提出实现问题是因为GNU/Linux对POSIX线程的实现不同于其他Unix平台。
  • 当我们调用pthread_create来创建线程的时候，系统创建的是一个新的进程，并且在该进程内创建我们需要的线程。
  • 这个新创建的进程和用fork创建出来的进程不同，他和原来的进程是共享内存的，而不是像fork出来的那样是做了一份copy的。
  • 其实在第一次调用pthread_create的时候，系统还会创建一个进程，叫做管理进程（manager thread），这牵涉到GNU/Linux的内部实现问题，我们就不展开了。
  • 因此，如果我们有一个程序./pthread-pid，该程序只是调用pthread_create来创建一个新的线程，并且使用无限循环来保证主线程和新的线程都不结束。执行该程序后，我们使用ps来查看，就会发现三个./pthread-pid进程，一个是我们执行的，一个是 pthread_create创建出来的，另一个就是管理进程。
• Signal的处理
  • Signal发送的单位是进程，恰好GNU/Linux里面线程也是用进程实现的，因此在向一个多线程的程序发送Signal的时候，不会出现无法识别该由哪个线程来负责接受Signal的问题。
  • 在一个多线程程序中，线程之间也可以发送Signal，方法是pthread_kill函数。第一个参数是线程ID，第二个参数是signal number
• 我们前面提到pthread_create会创建一个和当前进程共享内存的新进程，而fork会创建一个获得当前进程copy的进程。那么pthread_create是怎么做到的？
  • 其实有一个函数是pthread_create和fork的统一形式，该函数叫clone，clone可以指定在新的进程和旧的进程之间有哪些东西是共享的，哪些东西是copy的。
  • 这里提出clone只是为了满足大家的好奇心罢了，一般来说，在我们的程序中应该尽量避免使用这个函数。

4.6 进程Vs. 线程

• 这是一个永恒的话题，新手们总是弄不清楚在一个需要多任务并发的程序中应该使用进程还是线程。这里列出了他们之间的区别：
  • 一个程序中的所有线程必须执行同一个可执行文件。一个新的子进程可以去执行和父进程不同的可执行文件（fork接exec是通常的做法）。
  • 在线程中，一个老鼠屎坏了一锅汤，如果一个线程出现了问题，其他所有的线程都会收到影响，因为他们共享内存。而进程彼此间独立，不存在这样的问题。
  • 创建一个进程比创建一个线程的代价要大，因为需要额外的内存拷贝的操作。虽然在现在绝大多数操作系统中，都实现了copy-on-write的技术，但进程的创建还是要比线程更费时一些。
  • 如果一个多任务的程序的各个任务是紧耦合的，或者说几乎相同的，线程将是更好的选择。如果各个任务直接没什么紧密的联系，那使用进程会更恰当一些。
  • 在线程之间共享数据是非常容易的，因为他们本身就是内存共享的。而在进程之共享数据要麻烦的多，还要使用一种叫做IPC的机制（我们下章会详细描述），但是进程之间的数据共享对于死锁等同步问题具有更强的抵抗能力。