linux系統(tǒng)線程的結(jié)構(gòu)分析.doc

Linux系統(tǒng)線程的結(jié)構(gòu)分析摘要：本文介紹了線程技術(shù)，并對(duì)linux系統(tǒng)線程的ID，標(biāo)識(shí)，創(chuàng)建步驟，以及線程的同步和互斥進(jìn)行進(jìn)行講解分析 。關(guān)鍵詞：線程，linux，同步，互斥1 引言線程技術(shù)早在60年代就被提出，但真正應(yīng)用多線程到操作系統(tǒng)中去，是在80年代中期。為了改善Linux Thread問題，根據(jù)新內(nèi)核機(jī)制重新編寫線程庫, 改善Linux對(duì)線程的支持，由IBM主導(dǎo)的新一代POSIX線程庫（Next Generation POSIX Threads，簡稱為NGPT）NGPT項(xiàng)目在2002年啟動(dòng)，為了避免出現(xiàn)有多個(gè)Linux線程標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目在2003年停止并由Red Hat主導(dǎo)的本地化POSIX線程庫 (Native POSIX Thread Library，簡稱為NTPL)，該項(xiàng)目最早在Red Hat Linux9中被支持，現(xiàn)在已經(jīng)成為GNU C函數(shù)庫的一部分，同時(shí)也成為Linux線程的標(biāo)準(zhǔn)。使用多線程的理由之一是和進(jìn)程相比，它是一種非常節(jié)儉的多任務(wù)操作方式。我們知道，在Linux系統(tǒng)下，啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種昂貴的多任務(wù)工作方式。而運(yùn)行于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動(dòng)一個(gè)線程所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程所花費(fèi)的空間，而且，線程間彼此切換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，總的說來，一個(gè)進(jìn)程的開銷大約是一個(gè)線程開銷的30倍左右，當(dāng)然，在具體的系統(tǒng)上，這個(gè)數(shù)據(jù)可能會(huì)有較大的區(qū)別。使用多線程的理由之二是線程間方便的通信機(jī)制。對(duì)不同進(jìn)程來說，它們具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進(jìn)行，這種方式不僅費(fèi)時(shí)，而且很不方便。線程則不然，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個(gè)線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。當(dāng)然，數(shù)據(jù)的共享也帶來其他一些問題，有的變量不能同時(shí)被兩個(gè)線程所修改，有的子程序中聲明為static的數(shù)據(jù)更有可能給多線程程序帶來災(zāi)難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時(shí)最需要注意的地方。除了以上所說的優(yōu)點(diǎn)外，不和進(jìn)程比較，多線程程序作為一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，當(dāng)然有以下的優(yōu)點(diǎn)：1) 提高應(yīng)用程序響應(yīng)。這對(duì)圖形界面的程序尤其有意義，當(dāng)一個(gè)操作耗時(shí)很長時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)等待這個(gè)操作，此時(shí)程序不會(huì)響應(yīng)鍵盤、鼠標(biāo)、菜單的操作，而使用多線程技術(shù)，將耗時(shí)長的操作（time consuming）置于一個(gè)新的線程，可以避免這種尷尬的情況。2) 使多CPU系統(tǒng)更加有效。操作系統(tǒng)會(huì)保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時(shí)，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上。3) 改善程序結(jié)構(gòu)。一個(gè)既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個(gè)線程，成為幾個(gè)獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，這樣的程序會(huì)利于理解和修改。2.線程結(jié)構(gòu)線程ID線程ID只在它所屬的進(jìn)程環(huán)境中有效，用函數(shù): pthread_self( )實(shí)現(xiàn)。線程標(biāo)識(shí)線程標(biāo)識(shí)pthread_t類型通常用結(jié)構(gòu)來表示，不能把它作為整數(shù)處理，因?yàn)長inux使用無符號(hào)長整數(shù)表示。為了移植，使用函數(shù) pthread_equal( )來比較線程ID。創(chuàng)建線程的步驟：1.調(diào)用該線程函數(shù)的入口點(diǎn)；2.使用函數(shù)pthread_create()，線程創(chuàng)建后，就開始運(yùn)行相關(guān)的線程函數(shù)。退出線程：在線程函數(shù)運(yùn)行完后，該線程也就退出了或者使用函數(shù)pthread_exit()，這是線程的主動(dòng)行為。當(dāng)調(diào)用進(jìn)程終止，所有線程都終止了。等待線程由于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程是共享數(shù)據(jù)段的，通常在線程退出之后，退出線程所占用的資源并不會(huì)隨著線程的終止而得到釋放。取消線程被取消的線程可以設(shè)置自己的取消狀態(tài)，被取消的線程接收到另一個(gè)線程的取消請(qǐng)求之后，是接受還是忽略這個(gè)請(qǐng)求，如果接受，是立刻進(jìn)行終止操作還是等待某個(gè)函數(shù)的調(diào)用等。線程同步與互斥線程共享進(jìn)程的資源和地址空間，對(duì)這些資源進(jìn)行操作時(shí)，必須考慮線程間同步與互斥問題。線程的三種同步機(jī)制：互斥鎖、信號(hào)量、條件變量，其中互斥鎖更適合同時(shí)可用的資源是惟一的情況，信號(hào)量更適合同時(shí)可用的資源為多個(gè)的情況。互斥鎖是用簡單的加鎖方法控制對(duì)共享資源的原子操作，可把互斥鎖看作某種意義上的全局變量，它只有兩種狀態(tài): 上鎖、解鎖。在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程掌握某個(gè)互斥鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線程能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行操作。若其他線程希望上鎖一個(gè)已經(jīng)被上鎖的互斥鎖,則該線程就會(huì)掛起，直到上鎖的線程釋放掉互斥鎖為止，互斥鎖保證讓每個(gè)線程對(duì)共享資源按順序進(jìn)行原子操作?；コ怄i主要包括下面的基本函數(shù)：互斥鎖初始化：pthread_mutex_init()互斥鎖上鎖：pthread_mutex_lock()互斥鎖判斷上鎖：pthread_mutex_trylock()互斥鎖解鎖：pthread_mutex_unlock()消除互斥鎖：pthread_mutex_destroy()1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 6 #define THREAD_NUM 3 7 #define REPEAT_TIMES 5 8 #define DELAY 4 9 10 sem_t semTHREAD_NUM;11 12 void *thrd_func(void *arg);13 14 int main()15 pthread_t threadTHREAD_NUM;16 int no;17 void *tret;18 19 srand(int)time(0); 20 21 / 初始化THREAD_NUM-1個(gè)信號(hào)量，均初始化為022 for(no=0;noTHREAD_NUM-1;no+)23 sem_init(&semno,0,0);24 25 26 / sem2信號(hào)量初始化為1，即sem數(shù)組中最后一個(gè)信號(hào)量27 sem_init(&sem2,0,1);28 29 / 創(chuàng)建THREAD_NUM個(gè)線程，入口函數(shù)均為thrd_func，參數(shù)為(void*)no30 for(no=0;noTHREAD_NUM;no+)31 if (pthread_create(&threadno,NULL,thrd_func,(void*)no)!=0) 32 printf(Create thread %d error!n,no);33 exit(1);34 else35 printf(Create thread %d success!n,no);36 37 38 / 逐個(gè)join掉THREAD_NUM個(gè)線程39 for(no=0;noTHREAD_NUM;no+)40 if (pthread_join(threadno,&tret)!=0)41 printf(Join thread %d error!n,no);42 exit(1);43 else44 printf(Join thread %d success!n,no);45 46 47 / 逐個(gè)取消信號(hào)量48 for(no=0;noTHREAD_NUM;no+)49 sem_destroy(&semno);50 51 52 return 0;53 54 55 void *thrd_func(void *arg)56 int thrd_num=(void*)arg; / 參數(shù)no57 int delay_time,count;58 59 / 帶有阻塞的p操作60 sem_wait(&semthrd_num);61 62 63 printf(Thread %d is starting.n,thrd_num);64 for(count=0;countREPEAT_TIMES;count+) 65 delay_time=(int)(DELAY*(rand()/(double)RAND_MAX)+1;66 sleep(delay_time);67 printf(tThread %d:job %d delay =%d.n,thrd_num,count,delay_time);68 69 70 printf(Thread %d