嵌入式Linux应用程序开发详解-第9章(多线程编程)

华清远见——嵌入式培训专家应用开发班培训教材“黑色经典”系列之《嵌入式Linux应用程序开发详解》第9章多线程编程本章目标在前两章中，读者主要学习了有关进程控制和进程间通信的开发，这些都是Linux中开发的基础。在这一章中将学习轻量级进程—线程的开发，由于线程的高效性和可操作性，在大型程序开发中运用得非常广泛，希望读者能够很好地掌握。掌握Linux中线程的基本概念掌握Linux中线程的创建及使用掌握Linux中线程属性的设置能够独立编写多线程程序能够处理多线程中的变量问题能够处理多线程中的同步文件华清远见——嵌入式培训专家线程概述前面已经提到，进程是系统中程序执行和资源分配的基本单位。每个进程都拥有自己的数据段、代码段和堆栈段，这就造成了进程在进行切换等操作时都需要有比较负责的上下文切换等动作。为了进一步减少处理机的空转时间支持多处理器和减少上下文切换开销，进程在演化中出现了另一个概念——线程。它是一个进程内的基本调度单位，也可以称为轻量级进程。线程是在共享内存空间中并发的多道执行路径，它们共享一个进程的资源，如文件描述和信号处理。因此，大大减少了上下文切换的开销。同进程一样，线程也将相关的变量值放在线程控制表内。一个进程可以有多个线程，也就是有多个线程控制表及堆栈寄存器，但却共享一个用户地址空间。要注意的是，由于线程共享了进程的资源和地址空间，因此，任何线程对系统资源的操作都会给其他线程带来影响，因此，多线程中的同步就是非常重要的问题了。在多线程系统中，进程与进程的关系如表9.1所示。进程线程一线程二线程三用户地址空间图9.1进程与线程关系9.1.2线程分类线程按照其调度者可以分为用户级线程和核心级线程两种。（1）用户级线程用户级线程主要解决的是上下文切换的问题，它的调度算法和调度过程全部由用户自行选择决定，在运行时不需要特定的内核支持。在这里，操作系统往往会提供一个用户空间的线程库，该线程库提供了线程的创建、调度、撤销等功能，而内核仍然仅对进程进行管理。《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第9章、多线程编程华清远见嵌入式Linux应用开发班培训教材如果一个进程中的某一个线程调用了一个阻塞的系统调用，那么该进程包括该进程中的其他所有线程也同时被阻塞。这种用户级线程的主要缺点是在一个进程中的多个线程的调度中无法发挥多处理器的优势。（2）核心级线程这种线程允许不同进程中的线程按照同一相对优先调度方法进行调度，这样就可以发挥多处理器的并发优势。现在大多数系统都采用用户级线程与核心级线程并存的方法。一个用户级线程可以对应一个或几个核心级线程，也就是“一对一”或“多对一”模型。这样既可满足多处理机系统的需要，也可以最大限度地减少调度开销。9.1.3Linux线程技术的发展在Linux中，线程技术也经过了一代代的发展过程。在Linux2.2内核中，并不存在真正意义上的线程。当时Linux中常用的线程pthread实际上是通过进程来模拟的，也就是说Linux中的线程也是通过fork创建的“轻”进程，并且线程的个数也很有限，最多只能有4096个进程/线程同时运行。Linux2.4内核消除了这个线程个数的限制，并且允许在系统运行中动态地调整进程数上限。当时采用的是LinuxThread线程库，它对应的线程模型是“一对一”线程模型，也就是一个用户级线程对应一个内核线程，而线程之间的管理在内核外函数库中实现。这种线程模型得到了广泛应用。但是，LinuxThread也由于Linux内核的限制以及实现难度等原因，并不是完全与POSIX兼容。另外，它的进程ID、信号处理、线程总数、同步等各方面都还有诸多的问题。为了解决以上问题，在Linux2.6内核中，进程调度通过重新编写，删除了以前版本中效率不高的算法。内核线程框架也被重新编写，开始使用NPTL（NativePOSIXThreadLibrary）线程库。这个线程库有以下几点设计目标：POSIX兼容性、多处理器结构的应用、低启动开销、低链接开销、与LinuxThreads应用的二进制兼容性、软硬件的可扩展能力、与C++集成等。这一切都使得Linux2.6内核的线程机制更加完备，能够更好地完成其设计目标。与LinuxThreads不同，NPTL没有使用管理线程，核心线程的管理直接放在核内进行，这也带了性能的优化。由于NPTL仍然采用1∶1的线程模型，NPTL仍然不是POSIX完全兼容的，但就性能而言相对LinuxThreads已经有很大程度上的改进。9.2Linux线程实现9.2.1线程基本操作这里要讲的线程相关操作都是用户空间线程的操作。在Linux中，一般Pthread线程库是一套通用的线程库，是由POSIX提出的，因此具有很好的可移植性。1．线程创建和退出（1）函数说明华清远见——嵌入式培训专家应用开发班培训教材创建线程实际上就是确定调用该线程函数的入口点，这里通常使用的函数是pthread_create。在线程创建以后，就开始运行相关的线程函数，在该函数运行完之后，该线程也就退出了，这也是线程退出一种方法。另一种退出线程的方法是使用函数pthread_exit，这是线程的主动行为。这里要注意的是，在使用线程函数时，不能随意使用exit退出函数进行出错处理，由于exit的作用是使调用进程终止，往往一个进程包含多个线程，因此，在使用exit之后，该进程中的所有线程都终止了。因此，在线程中就可以使用pthread_exit来代替进程中的exit。由于一个进程中的多个线程是共享数据段的，因此通常在线程退出之后，退出线程所占用的资源并不会随着线程的终止而得到释放。正如进程之间可以用wait()系统调用来同步终止并释放资源一样，线程之间也有类似机制，那就是pthread_join()函数。pthread_join可以用于将当前线程挂起，等待线程的结束。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，被等待线程的资源就被收回。（2）函数格式表9.1列出了pthread_create函数的语法要点。表9.1pthread_create函数语法要点所需头文件#includepthread.h函数原型intpthread_create((pthread_t*thread,pthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg))thread：线程标识符函数传入值attr：线程属性设置（具体设定在9.2.2会进行讲解）续表start_routine：线程函数的起始地址arg：传递给start_routine的参数成功：0函数返回值出错：-1表9.2列出了pthread_exit函数的语法要点。表9.2pthread_exit函数语法要点所需头文件#includepthread.h函数原型voidpthread_exit(void*retval)函数传入值Retval：pthread_exit()调用者线程的返回值，可由其他函数如pthread_join来检索获取表9.3列出了pthread_join函数的语法要点。表9.3pthread_join函数语法要点所需头文件#includepthread.h函数原型intpthread_join((pthread_tth,void**thread_return))《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第9章、多线程编程华清远见嵌入式Linux应用开发班培训教材th：等待线程的标识符函数传入值thread_return：用户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值（不为NULL时）成功：0函数返回值出错：-1（3）函数使用以下实例中创建了两个线程，其中第一个线程是在程序运行到中途时调用pthread_exit函数退出，第二个线程正常运行退出。在主线程中收集这两个线程的退出信息，并释放资源。从这个实例中可以看出，这两个线程是并发运行的。/*thread.c*/#includestdio.h#includepthread.h/*线程一*/voidthread1(void){inti=0;for(i=0;i6;i++){printf(Thisisapthread1.\n);if(i==2)pthread_exit(0);sleep(1);}}/*线程二*/voidthread2(void){inti;for(i=0;i3;i++)printf(Thisisapthread2.\n);pthread_exit(0);}intmain(void){pthread_tid1,id2;inti,ret;/*创建线程一*/ret=pthread_create(&id1,NULL,(void*)thread1,NULL);华清远见——嵌入式培训专家(ret!=0){printf(Createpthreaderror!\n);exit(1);}/*创建线程二*/ret=pthread_create(&id2,NULL,(void*)thread2,NULL);if(ret!=0){printf(Createpthreaderror!\n);exit(1);}/*等待线程结束*/pthread_join(id1,NULL);pthread_join(id2,NULL);exit(0);}以下是程序运行结果：[root@(none)tmp]#./threadThisisapthread1.Thisisapthread2.Thisisapthread2.Thisisapthread2.Thisisapthread1.Thisisapthread1.2．修改线程属性（1）函数说明读者是否还记得pthread_create函数的第二个参数——线程的属性。在上一个实例中，将该值设为NULL，也就是采用默认属性，线程的多项属性都是可以更改的。这些属性主要包括绑定属性、分离属性、堆栈地址、堆栈大小、优先级。其中系统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。下面首先对绑定属性和分离属性的基本概念进行讲解。•绑定属性前面已经提到，Linux中采用“一对一”的线程机制，也就是一个用户线程对应一个内核线程。绑定属性就是指一个用户线程固定地分配给一个内核线程，因为CPU时间片的调度是面向内核线程（也就是轻量级进程）的，因此具有绑定属性的线程可以保证在需要的时候总有一个内核线程与之对应。而与之相对的非绑定属性就是指用户线程和内核线程的关系不是始终固定的，而是由系统来控制分配的。•分离属性分离属性是用来决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在非分离情况下，当一个线《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第9章、多线程编程华清远见嵌入式Linux应用开发班培训教材程结束时，它所占用的系统资源并没有被释放，也就是没有真正的终止。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才能释放自己占用的系统资源。而在分离属性情况下，一个线程结束时立即释放它所占有的系统资源。这里要注意的一点是，如果设置一个线程的分离属性，而这个线程运行又非常快，那么它很可能在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，这时调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。这些属性的设置都是通过一定的函数来完成的，通常首先调用pthread_attr_init函数进行初始化，之后再调用相应的属性设置函数。设