第八章 多任务
第十章 条件变量

操作系统思考 (Think OS: A Brief Introduction to Operating Systems)

第九章 线程

作者：Allen B. Downey

原文：Chapter 9 Threads

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

当我在2.3节提到线程的时候，我说过线程就是一种进程。现在我会更仔细地解释它。

当你创建进程时，操作系统会创建一块新的地址空间，它包含text段、static段、和堆区。它也会创建新的“执行线程”，这包括程序计数器和其它硬件状态，以及运行时栈。

我们目前为止看到的进程都是“单线程”的，也就是说每个地址空间中只运行一个执行线程。在这一章中，你会了解“多线程”的进程，它在相同地址空间内拥有多个运行中的线程。

在单一进程中，所有线程都共享相同的text段，所以它们运行相同的代码。但是不同线程通常运行代码的不同部分。

而且，它们共享相同的static段，所以如果一个线程修改了某个全局变量，其它线程会看到改动。它们也共享堆区，所以线程可以共享动态分配的内存块。

但是每个线程都有它自己的栈。所以线程可以调用函数而不相互影响。通常，线程并不能访问其它线程的局部变量。

这一章的示例代码在本书的仓库中，在名为counter的目录中。有关代码下载的更多信息，请见第零章。

9.1 创建线程

C语言使用的所普遍的线程标准就是POSIX线程，简写为pthread。POSIX标准定义了线程模型和用于创建和控制线程的接口。多数UNIX的版本提供了POSIX的实现。

译者注：C11标准也提供了POSIX线程的实现。为了避免冲突，函数的前缀改为了thrd。

使用pthread就像使用大多数C标准库那样：

  • 你需要将头文件包含到程序开头。
  • 你需要编写调用pthread所定义函数的代码。
  • 当你编译程序时，需要链接pthread库。

例如，我包含了下列头文件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

前两个是标准库，第三个就是pthread。为了在gcc中和pthread一起编译，你可以在命令行中使用-l选项：

gcc -g -O2 -o array array.c -lpthread

这会编译名为array.c的源文件，带有调试信息和优化，并链接pthread库，之后生成名为array的可执行文件。

9.2 创建线程

用于创建线程的pthread函数叫做pthread_create。下面的函数展示了如何使用它：

pthread_t make_thread(void *(*entry)(void *), Shared *shared)
{
  int n;
  pthread_t thread;

  n = pthread_create(&thread, NULL, entry, (void *)shared);
  if (n != 0) {
    perror("pthread_create failed");
    exit(-1);
  }
  return thread;
}

make_thread是一个包装，我编写它便于使pthread_create更加易用，并提供错误检查。

pthread_create的返回类型是pthread_t，你可以将其看做新线程的ID或者“句柄”。

如果pthread_create成功了，它会返回0，make_pthread也会返回新线程的句柄。如果出现了错误，pthread_create会返回错误代码，make_thread会打印错误消息并退出。

pthread_create的参数需要一些解释。从第二个开始，Shared是我定义的结构体，用于包含在两个线程之间共享的值。下面的typedef语句创建了这个新类型：

typedef struct {
  int counter;
} Shared;

这里，唯一的共享变量是counter，make_shared为Shared结构体分配空间，并且初始化其内容：

Shared *make_shared()
{
  int i;
  Shared *shared = check_malloc(sizeof (Shared));
  shared->counter = 0;
  return shared;
}

entry的参数声明为void指针，但在这个程序中我们知道它是一个指向Shared结构体的指针，所以我们可以对其做相应转换，之后将它传给执行实际工作的child_code。

作为一个简单的示例，child_code打印了共享计数器的值，并增加它。

void child_code(Shared *shared)
{  
  printf("counter = %d\n", shared->counter);
  shared->counter++;
}

当child_code返回时，entry调用了pthread_exit，它可以用于将一个值传递给回收（join）当前线程的线程。这里，子线程没有什么要返回的，所以我们传递了NULL。

最后，下面是创建子线程的代码：

int i;
pthread_t child[NUM_CHILDREN];

Shared *shared = make_shared(1000000);

for (i=0; i<NUM_CHILDREN; i++) {
    child[i] = make_thread(entry, shared);
}

NUM_CHILDREN是用于定义子线程数量的编译期常量。child是线程句柄的数组。

9.3 回收线程

当一个线程希望等待其它线程执行完毕，它需要调用pthread_join。下面是我对pthread_join的包装：

void join_thread(pthread_t thread)
{
  int ret = pthread_join(thread, NULL);
  if (ret == -1) {
    perror("pthread_join failed");
    exit(-1);
  }
}

参数是你想要等待的线程句柄。这个包装所做的事情就是调用pthread_join之后检查结果。

任何线程都可以回收其它线程，但是多数普遍的情况下，父线程创建并回收所有子线程。我们继续使用上一节的例子，下面是等待子线程的代码：

for (i=0; i<NUM_CHILDREN; i++) {
    join_thread(child[i]);
}

这个循环一次等待一个子线程，以它们创建的顺序。没有办法来保证子线程按照顺序执行完毕，但是这个循环在它们不这样的时候也会正确执行。如果某个子线程迟于其它线程，这个循环会等待它，其它子线程也会在同时执行完毕。但是无论如何，所有子线程执行完毕后，循环才会退出。

如果你下载这本书的仓库，你可以在counter/counter.c中找到它。你可以像这样编译并运行它：

$ make counter
gcc -Wall counter.c -o counter -lpthread
$ ./counter

当我以5个子线程运行它时，我获得了如下输出：

counter = 0
counter = 0
counter = 1
counter = 0
counter = 3

当你运行它时，你可能得到了不同的结果。并且如果你再次运行它，你可能每次都得到不同的结果。到底发生了什么呢？

9.4 同步错误

上一个程序的问题就是，子线程访问了共享变量counter，不带任何同步机制，所以在任何线程增加counter之前，这些线程读取到了它的相同值。

下面是一个事件序列，这可以解释上一节的输出：

Child A reads 0
Child B reads 0
Child C reads 0
Child A prints   0
Child B prints   0
Child A sets counter=1
Child D reads 1
Child D prints   1
Child C prints   0
Child A sets counter=1
Child B sets counter=2
Child C sets counter=3
Child E reads 3
Child E prints   3
Child D sets counter=4
Child E sets counter=5

每次你运行这个程序的时候，线程都会在不同时间点上中断，或者调度器可能选择不同的线程来运行，所以时间序列和结果都是不同的。

假设我们需要强行规定一个顺序。例如，我们想让每个线程读到counter的不同值并增加它，让counter的值反映出执行child_code的线程数量。

为了达到这一要求，我们可以使用“互斥体”（mutex），它提供了互斥体对象，来保证一段代码是“互斥”的，也就是说，一次只有一个线程可以执行这段代码。

我编写了一个叫做mutex.c的小型模块，来提供互斥体对象。我会首先向你展示如何使用，之后再展示工作原理。

下面是child_code使用互斥体同步线程的版本：

void child_code(Shared *shared)
{
  mutex_lock(shared->mutex);
  printf("counter = %d\n", shared->counter);
  shared->counter++;
  mutex_unlock(shared->mutex);
}

在任何线程访问counter之前，它们需要“锁住”互斥体，这样可以阻塞住所有其它线程。假设线程A锁住互斥体，并且执行到child_code的中间位置。如果线程B到达并执行了mutex，它会被阻塞。

当线程A执行完毕后，它执行了mutex_unlock，它允许线程B继续执行。实际上，一次只有一个排队中的线程会执行child_code，所以它们不会互相影响。当我以5个子线程运行这段代码时，我会得到：

counter = 0
counter = 1
counter = 2
counter = 3
counter = 4

这样就满足了要求。为了使这个方案能够工作，我向Shared结构体中添加了Mutex:

typedef struct {
  int counter;
  Mutex *mutex;
} Shared;

之后在make_shared中初始化它：

Shared *make_shared(int end)
{
  Shared *shared = check_malloc(sizeof(Shared));
  shared->counter = 0;
  shared->mutex = make_mutex();   //-- this line is new
  return shared;
}

这一节的代码在counter_mutex.c中，Mutex的定义在mutex.c中，我会在下一节解释它。

9.5 互斥体

我的Mutex的定义是pthread_mutex_t类型的包装，它定义在POSIX线程API中。

为了创建POSIX互斥体，你需要为pthread_mutex_t分配空间，之后调用pthread_mutex_init。

一个问题就是在这个API下，pthread_mutex_t表现为结构体，所以如果你将它作为参数传递，它会复制，这会使互斥体表现不正常。你需要传递pthread_mutex_t的地址来避免这种情况。

我的代码更加容易正确使用。它定义了一个类型，Mutex，它是pthread_mutex_t的更加可读的名称：

#include <pthread.h>

typedef pthread_mutex_t Mutex;

之后它定义了make_mutex，它为mutex分配空间并初始化：

Mutex *make_mutex()
{
  Mutex *mutex = check_malloc(sizeof(Mutex));
  int n = pthread_mutex_init(mutex, NULL);
  if (n != 0) perror_exit("make_lock failed"); 
  return mutex;
}

返回值是一个指针，你可以将其作为参数传递，而不会有非预期的复制。

对互斥体加锁和解锁的函数都是POSIX函数的简单包装：

void mutex_lock(Mutex *mutex)
{
  int n = pthread_mutex_lock(mutex);
  if (n != 0) perror_exit("lock failed");
}

void mutex_unlock(Mutex *mutex)
{
  int n = pthread_mutex_unlock(mutex);
  if (n != 0) perror_exit("unlock failed");
}

代码在mutex.c和头文件mutex.h中。

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