linux系统线程的结构分析.doc

Linux系统线程的结构分析摘要：本文介绍了线程技术，并对linux系统线程的ID，标识，创建步骤，以及线程的同步和互斥进行进行讲解分析 。关键词：线程，linux，同步，互斥1 引言线程技术早在60年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在80年代中期。为了改善Linux Thread问题，根据新内核机制重新编写线程库, 改善Linux对线程的支持，由IBM主导的新一代POSIX线程库（Next Generation POSIX Threads，简称为NGPT）NGPT项目在2002年启动，为了避免出现有多个Linux线程标准，该项目在2003年停止并由Red Hat主导的本地化POSIX线程库 (Native POSIX Thread Library，简称为NTPL)，该项目最早在Red Hat Linux9中被支持，现在已经成为GNU C函数库的一部分，同时也成为Linux线程的标准。使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常节俭的多任务操作方式。我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种昂贵的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的30倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。2) 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。2.线程结构线程ID线程ID只在它所属的进程环境中有效，用函数: pthread_self( )实现。线程标识线程标识pthread_t类型通常用结构来表示，不能把它作为整数处理，因为Linux使用无符号长整数表示。为了移植，使用函数 pthread_equal( )来比较线程ID。创建线程的步骤：1.调用该线程函数的入口点；2.使用函数pthread_create()，线程创建后，就开始运行相关的线程函数。退出线程：在线程函数运行完后，该线程也就退出了或者使用函数pthread_exit()，这是线程的主动行为。当调用进程终止，所有线程都终止了。等待线程由于一个进程中的多个线程是共享数据段的，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。取消线程被取消的线程可以设置自己的取消状态，被取消的线程接收到另一个线程的取消请求之后，是接受还是忽略这个请求，如果接受，是立刻进行终止操作还是等待某个函数的调用等。线程同步与互斥线程共享进程的资源和地址空间，对这些资源进行操作时，必须考虑线程间同步与互斥问题。线程的三种同步机制：互斥锁、信号量、条件变量，其中互斥锁更适合同时可用的资源是惟一的情况，信号量更适合同时可用的资源为多个的情况。互斥锁是用简单的加锁方法控制对共享资源的原子操作，可把互斥锁看作某种意义上的全局变量，它只有两种状态: 上锁、解锁。在同一时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程能够对共享资源进行操作。若其他线程希望上锁一个已经被上锁的互斥锁,则该线程就会挂起，直到上锁的线程释放掉互斥锁为止，互斥锁保证让每个线程对共享资源按顺序进行原子操作。互斥锁主要包括下面的基本函数：互斥锁初始化：pthread_mutex_init()互斥锁上锁：pthread_mutex_lock()互斥锁判断上锁：pthread_mutex_trylock()互斥锁解锁：pthread_mutex_unlock()消除互斥锁：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个信号量，均初始化为022 for(no=0;noTHREAD_NUM-1;no+)23 sem_init(&semno,0,0);24 25 26 / sem2信号量初始化为1，即sem数组中最后一个信号量27 sem_init(&sem2,0,1);28 29 / 创建THREAD_NUM个线程，入口函数均为thrd_func，参数为(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 / 逐个join掉THREAD_NUM个线程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 / 逐个取消信号量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; / 参数no57 int delay_time,count;58 59 / 带有阻塞的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