介紹

在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都有自己的地址空間和一個(gè)控制線程。然而，在實(shí)踐中，我們經(jīng)常遇到需要在單個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)并發(fā)任務(wù)并訪問(wèn)相同進(jìn)程組件的情況：結(jié)構(gòu)、打開(kāi)的文件描述符等。

在任何情況下組織多線程模型都需要同時(shí)訪問(wèn)相同的資源。本文提供了有關(guān) Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)中線程的一般信息，然后介紹了防止訪問(wèn)共享資源的同步機(jī)制[1] 。

對(duì)于那些處理從一個(gè)系統(tǒng)移植到另一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序或在一個(gè)系統(tǒng)中創(chuàng)建多線程應(yīng)用程序并想知道它在另一個(gè)系統(tǒng)中如何實(shí)際實(shí)現(xiàn)的人來(lái)說(shuō)，這篇文章將會(huì)很有趣。本文對(duì)于那些從未編寫過(guò)多線程應(yīng)用程序但計(jì)劃在未來(lái)這樣做的人也很有用。

線程概念

這些線程是做什么用的？為什么我們不能只創(chuàng)建流程？后一種范式已經(jīng)工作了很多年，但是流程創(chuàng)建有一些缺點(diǎn)，下面舉幾個(gè)例子：

進(jìn)程創(chuàng)建操作是資源密集型的。

進(jìn)程需要復(fù)雜的機(jī)制來(lái)訪問(wèn)相同的資源（命名或未命名的管道、消息隊(duì)列、套接字等），而線程會(huì)自動(dòng)獲得對(duì)相同地址空間的訪問(wèn)權(quán)。

多線程進(jìn)程的性能高于單線程。

多線程允許多個(gè)線程作為一個(gè)進(jìn)程的一部分執(zhí)行。具有線程的編程模型為開(kāi)發(fā)人員提供了對(duì)同時(shí)執(zhí)行的舒適抽象。具有線程的程序的優(yōu)點(diǎn)之一是它在具有多核處理器的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行得更快。線程在創(chuàng)建時(shí)幾乎不使用資源，或者額外的插件，例如資源訪問(wèn)機(jī)制；此外，線程的性能和應(yīng)用程序交互性更高。除了地址空間，所有線程都使用：

工藝規(guī)定

信號(hào)處理程序（處理信號(hào)的設(shè)置）

當(dāng)前目錄

用戶和組標(biāo)識(shí)符

同時(shí)，每個(gè)線程都有自己的：

線程標(biāo)識(shí)符

堆

寄存器集

信號(hào)屏蔽

優(yōu)先

使用線程的主要函數(shù)

在通過(guò) exec 調(diào)用啟動(dòng)程序時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)主線程（初始線程）。輔助線程是通過(guò)調(diào)用 Linux 的 pthread_create 或 Windows 的 _beginthread(ex) 創(chuàng)建的。

讓我們更仔細(xì)地看看 Linux 的線程創(chuàng)建：

#include

int pthread_create(

pthread_t *tid,

const pthread_attr_t *attr,

void *(*func)(void *),

void *arg

);

/* Returns 0 in case of a successful completion, positive value in case of an error*/

每個(gè)線程都有它的標(biāo)識(shí)符——pthread_t——和屬性：優(yōu)先級(jí)、初始堆棧大小、守護(hù)進(jìn)程特性。創(chuàng)建線程時(shí)，需要指明將要執(zhí)行的函數(shù)地址（func），以及單指針參數(shù)（arg）。Linux 中的線程應(yīng)顯式退出——通過(guò)調(diào)用pthread_exit函數(shù)——或隱式退出——通過(guò)從該函數(shù)返回[2]。如果在問(wèn)題的條件下需要將多個(gè)參數(shù)傳遞給線程，則必須使用帶參數(shù)的結(jié)構(gòu)地址。

在 Windows 中，線程是在_beginthread(ex)或CreateThread函數(shù)的幫助下創(chuàng)建的。兩者都是 ?-runtime 調(diào)用，它們之間的主要區(qū)別在于CreateThread是一個(gè)“原始”Win32 API，而_beginthread(ex)在其內(nèi)部調(diào)用CreateThread 。在本文中，我們將討論_beginthread(ex)函數(shù)。_beginthreadex的語(yǔ)法如下：

uintptr_t _beginthreadex(

void *security,

unsigned stack_size,

unsigned(__stdcall *start_address)(void *),

void *arglist,

unsigned initflag,

unsigned *thrdaddr

);

可以觀察到pthread_create和_beginthreadex調(diào)用之間有一些模糊的相似性；但是，也存在差異。?hus，在 Windows 中：security– 指向SECURITY_ATTRIBUTES結(jié)構(gòu)的指針，thrdaddr– 指向接收線程標(biāo)識(shí)符的 32 位變量。

讓我們考慮以下線程創(chuàng)建示例：

#include

#ifdef __PL_WINDOWS__

#include

#endif //__PL_WINDOWS__

#ifdef __PL_LINUX__

#include

#endif //__PL_LINUX__

#define STACK_SIZE_IN_BYTES (2097152) //2MB

#ifdef __PL_WINDOWS__

unsigned int __stdcall process_command_thread(void) {

#endif //__PL_WINDOWS__

#if defined (__PL_LINUX__) || (__PL_SOLARIS__) || (__PL_MACOSX__)

void *process_command_thread(void *p) {

#endif //(__PL_LINUX__) || (__PL_SOLARIS__) || (__PL_MACOSX__)

printf("Hello from process command thread\n");

return 0;

}

int main(int argc, char *argv[])

{

#ifdef __PL_WINDOWS__

DWORD process_command_thread_id;

HANDLE h_process_command_thread;

h_process_command_thread = (HANDLE)_beginthreadex(

NULL,

STACK_SIZE_IN_BYTES,

process_command_thread,

NULL,

0,

(unsigned long *)&process_command_thread_id

);

if (h_process_command_thread == NULL)

return -1;

#endif //__PL_WINDOWS__

#ifdef __PL_LINUX__

pthread_t h_process_command_thread;

int h_process_command_thread_initialized;

int ret;

ret = pthread_create(

&h_process_command_thread,

NULL,

process_command_thread,

NULL

);

if (ret != 0)

return -1;

h_process_command_thread_initialized = 1;

#endif // __PL_LINUX__

printf("Hello from main thread\n");

return 0;

}

輸出將如下：

很容易注意到 process_command_thread 沒(méi)有以可視方式運(yùn)行。當(dāng)用于線程管理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被pthread_create或_beginthreadex函數(shù)初始化時(shí)，主線程完成執(zhí)行。在 Linux 中調(diào)用 pthread_join 后，我們可以期待線程退出。

int pthread_join(pthread_t tid, void **retval);

線程可以是可連接的（默認(rèn)情況下）或分離的。當(dāng)一個(gè)可連接線程終止時(shí)，信息（標(biāo)識(shí)符、終止?fàn)顟B(tài)、線程計(jì)數(shù)器等）會(huì)一直保存到調(diào)用pthread_join為止。

在 Windows 操作系統(tǒng)中，可以認(rèn)為等待函數(shù)之一類似于pthread_join。等待函數(shù)系列允許線程中斷其執(zhí)行并等待資源被釋放。讓我們看一下pthread_join的類似物，即WaitForSingleObject：

DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hObject, DWORD dwMilliseconds);

調(diào)用此函數(shù)時(shí)，第一個(gè)參數(shù)hObject標(biāo)識(shí)內(nèi)核對(duì)象。該對(duì)象可能處于以下兩種狀態(tài)之一：“空閑”或“忙碌”。

第二個(gè)參數(shù)dwMilliseconds表示線程準(zhǔn)備等待釋放對(duì)象的毫秒數(shù)。

以下示例說(shuō)明了pthread_join\WaitForSingleObject調(diào)用：

#ifdef __PL_WINDOWS__

DWORD status = WaitForSingleObject(

h_process_command_thread,

INFINITE

);

switch (status) {

case WAIT_OBJECT_0:

// The process terminated

break;

case WAIT_TIMEOUT:

// The process did not terminate within timeout

break;

case WAIT_FAILED:

// Bad call to function

break;

}

#endif //__PL_WINDOWS__

#ifdef __PL_LINUX__

int status = pthread_join(

h_process_command_thread,

NULL

);

switch (status) {

case 0:

// The process terminated

break;

case default:

// Bad call to function

break;

}

#endif //__PL_LINUX__

#ifdef __PL_WINDOWS__

//Windows code

#endif //__PL_WINDOWS__

#ifdef __PL_LINUX__

//Code for UNIX OS systems

#endif //__PL_LINUX__

審核編輯：郭婷