Linux下多线程编程-Pthread与Semaphore的使用
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
#include
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。
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
#include
#include
#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。