操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)線程管理與控制

1、第4章 線程管理與控制4.1 線程概念簡(jiǎn)介每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段，這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較復(fù)雜的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間，支持多處理器以及減少上下文切換開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念線程。它是進(jìn)程內(nèi)獨(dú)立的一條運(yùn)行路線，處理器調(diào)度的最小單元，也可以稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程。線程可以對(duì)進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源進(jìn)行訪問(wèn)，并與同一進(jìn)程中的其他線程共享。因此，線程的上下文切換的開(kāi)銷(xiāo)比創(chuàng)建進(jìn)程小很多。同進(jìn)程一樣，線程也將相關(guān)的執(zhí)行狀態(tài)和存儲(chǔ)變量放在線程控制塊(TCB)內(nèi)。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，也就是有多個(gè)線程控制塊及堆棧寄存器，但卻共享一個(gè)用戶地址空

2、間。要注意的是，由于線程共享了進(jìn)程的資源和地址空間，因此，任何線程對(duì)系統(tǒng)資源的操作都會(huì)給其他線程帶來(lái)影響。由此可知，多線程中的同步是非常重要的問(wèn)題。在多線程系統(tǒng)中，進(jìn)程與進(jìn)程的關(guān)系如圖所示。進(jìn)程與線程關(guān)系 4.2 Linux多線程編程API與實(shí)驗(yàn)任務(wù)4.3.1 Linux多線程編程API 創(chuàng)建線程pthread_create()函數(shù)實(shí)際上就是確定調(diào)用該線程函數(shù)的入口點(diǎn)，在線程創(chuàng)建以后，就開(kāi)始運(yùn)行相關(guān)的線程函數(shù)，在該函數(shù)運(yùn)行完之后，該線程也就退出了，這也是線程退出一種方法。另一種退出線程的方法是使用函數(shù)pthread_exit()，這是線程的主動(dòng)行為。這里要注意的是，在使用線程函數(shù)時(shí)，不能隨意使

3、用exit()退出函數(shù)進(jìn)行出錯(cuò)處理，由于exit()的作用是使調(diào)用進(jìn)程終止，往往一個(gè)進(jìn)程包含多個(gè)線程，因此，在使用exit()之后，該進(jìn)程中的所有線程都終止了。因此，在線程中就可以使用pthread_exit()來(lái)代替進(jìn)程中的exit()。由于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程是共享數(shù)據(jù)段的，因此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。正如進(jìn)程之間可以用wait()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)同步終止并釋放資源一樣，線程之間也有類(lèi)似機(jī)制，那就是pthread_join()函數(shù)。pthread_join()可以用于將當(dāng)前線程掛起來(lái)等待線程的結(jié)束。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等

4、待到被等待的線程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，被等待線程的資源就被收回。（1）創(chuàng)建線程函數(shù)pthread_create()功能：創(chuàng)建線程和啟動(dòng)線程，與進(jìn)程管理函數(shù)fork()的功能相似。pthread_create()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)所需頭文件#include <pthread.h>函數(shù)原型int pthread_create (pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void *), void *arg)函數(shù)傳入值thread：線程標(biāo)識(shí)符attr：線程屬性設(shè)置（其具體設(shè)置參見(jiàn)9.2.3小節(jié)），通常取為NU

5、LLstart_routine：線程函數(shù)的起始地址，是一個(gè)以指向void的指針作為參數(shù)和返回值的函數(shù)指針arg：傳遞給start_routine的參數(shù)函數(shù)返回值成功：0出錯(cuò)：返回錯(cuò)誤碼(2) 線程退出函數(shù)pthread_exit()pthread_exit()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)所需頭文件#include <pthread.h>函數(shù)原型void pthread_exit(void *retval)函數(shù)傳入值retval：線程結(jié)束時(shí)的返回值，可由其他函數(shù)如pthread_join()來(lái)獲取(3) 等待線程結(jié)束函數(shù)pthread_join()等待線程結(jié)束，讀取線程的返回結(jié)果。pthread_j

6、oin()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)所需頭文件#include <pthread.h>函數(shù)原型int pthread_join (pthread_t th, void *thread_return)函數(shù)傳入值th：等待線程的標(biāo)識(shí)符thread_return：用戶定義的指針，用來(lái)存儲(chǔ)被等待線程結(jié)束時(shí)的返回值（不為NULL時(shí)）函數(shù)返回值成功：0出錯(cuò)：返回錯(cuò)誤碼(4) 線程取消函數(shù)pthread_cancel()pthread_cancel()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)所需頭文件#include <pthread.h>函數(shù)原型int pthread_cancel(pthread_t th)函數(shù)傳入值th

7、：要取消的線程的標(biāo)識(shí)符函數(shù)返回值成功：0出錯(cuò)：返回錯(cuò)誤碼4.3.3 Linux多線程同步API1. 線程同步信號(hào)量及系統(tǒng)調(diào)用POSIX的線程同步信號(hào)量定義了3個(gè)函數(shù)：(1) 信號(hào)量初始化函數(shù)說(shuō)明：#include <semaphore.h>int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned value);參數(shù)說(shuō)明：sem: 指向信號(hào)量變量的指針，*sem是定義好的信號(hào)量。pshared: 為0表示進(jìn)程局部信號(hào)量，通常為0value: 信號(hào)量初始值，為1時(shí)是二值信號(hào)量返回值：0:執(zhí)行成功，非0執(zhí)行失敗(2) 信號(hào)量加1原子操作int sem_po

8、st(sem_t *sem);說(shuō)明：類(lèi)似于進(jìn)程的V操作。(3) 信號(hào)量減1原子操作int sem_wait(sem_t *sem)說(shuō)明：在信線程號(hào)量值為0時(shí)執(zhí)行該操作使線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到另一個(gè)線程執(zhí)行加1原子操作為止。類(lèi)似于進(jìn)程的P操作。2. 線程互斥量及系統(tǒng)調(diào)用互斥量可在多線程程序中作為臨界區(qū)互斥訪問(wèn)手段。操作互斥量的基本函數(shù)有：(1) 初始化函數(shù)函數(shù)說(shuō)明：#include <semaphore.h>int phread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);參數(shù)說(shuō)明：

9、mutex: 定義好的互斥量指針mutexattr：互斥量屬性，通?？梢詾镹ULL(2) 加鎖操作int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);(3) 開(kāi)鎖操作int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);(4) 互斥量撤銷(xiāo)操作int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);4.3.4 Linux多線程同步實(shí)驗(yàn)任務(wù)1. 用互斥量實(shí)現(xiàn)對(duì)4.3.2中多線程并發(fā)程序中共享變量的互斥訪問(wèn)。lin-thread-4.c:#include <stdi

10、o.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>static int a10000;static sum1,sum2,sum, p;pthread_mutex_t mutex; /互斥量，用于共享變量訪問(wèn)void *thread1(void *arg) int i;sum2=0;for(; ;) pthread_mutex_lock (&mutex);if (p<10000) sum2=sum2+ap;usleep(1);p+;pthread_mutex_unlock(&mutex);else pthre

11、ad_mutex_unlock(&mutex); break; pthread_exit(void*) sum2);int main(int argc,char* argv) pthread_t tidp; int error,i;int res;int thread_result;pthread_mutex_init (&mutex,NULL); /線程互斥量初始化為p=0; for (i=0; i<10000; i+) ai=i; error = pthread_create(&tidp,NULL, thread1,NULL); if(error != 0)

12、printf("thread is not created.n"); return -1; sum1=0;for(; ;) pthread_mutex_lock (&mutex);if (p<10000) sum1=sum1+ap;usleep(1);p+;pthread_mutex_unlock(&mutex);else pthread_mutex_unlock(&mutex); break; pthread_join(tidp,&thread_result); sum=sum1+sum2; printf("the sum

13、of array10000 is %dn",sum);printf("the part sum of thread1 get is %dn", thread_result); return 0;$ gcc lin-thread-4.c -lpthread -o lin-thread-4$ ./lin-thread-42. 分析、調(diào)試和執(zhí)行一個(gè)多線程示例程序lin-thread-5.c該程序創(chuàng)建兩個(gè)線程，一個(gè)線程負(fù)責(zé)讀入鍵盤(pán)輸入的文本，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)和顯示輸入的字符個(gè)數(shù)，文本輸入以“end”表示輸入結(jié)束。程序在主線程中對(duì)結(jié)束的兩個(gè)線程進(jìn)行歸并。lin-threa

14、d-5.c#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#include <semaphore.h>void *input_text(void *arg);void *count_text(void *arg);void *stat_text(void *arg);sem_t bin_sem;       

15、60;/信號(hào)量，用于線程同步#define WORK_SIZE 1024char work_areaWORK_SIZE;int main()         int res;       /線程函數(shù)執(zhí)行的返回值        pthread_t input_thread,stat_thread;    /線程標(biāo)識(shí)符變量 

16、;       void *thread_result; /線程執(zhí)行的返回值        res = sem_init(&bin_sem,0,0);    /線程同步信號(hào)量初始化為0        if (res!=0)         &

17、#160;   perror("Semaphore init failed");            exit(EXIT_FAILURE);                res = pthread_create(&input_thread,NULL, inp

18、ut_text,NULL);         if (res!=0)             perror("Input Thread init failed");            exit(EXIT_FAILURE);   

19、;             res = pthread_create(&stat_thread,NULL, stat_text,NULL);        if (res!=0)             perror("Stat Thread init

20、 failed");            exit(EXIT_FAILURE);                printf("Waiting for thread to finishn");        

21、res = pthread_join(input_thread,&thread_result);        res = pthread_join(stat_thread,&thread_result);        printf("Threads joinedn");        sem_destroy(&bin_sem);        exit(EXIT_SUCCESS); void *input_text(void *arg)     printf("Input some text. Enter end to finishn");    while(strncmp("end",work_area,3)!=0)