1 引言
　　線程（thread）技術(shù)早在60年代就被提出，但真正應(yīng)用多線程到操作系統(tǒng)中去，是在80年代中期，solaris是這方面的佼佼者。傳統(tǒng)的 Unix也支持線程的概念，但是在一個進(jìn)程（process）中只允許有一個線程，這樣多線程就意味著多進(jìn)程?，F(xiàn)在，多線程技術(shù)已經(jīng)被許多操作系統(tǒng)所支持，包括Windows/NT，當(dāng)然，也包括Linux。
　　為什么有了進(jìn)程的概念后，還要再引入線程呢？使用多線程到底有哪些好處？什么的系統(tǒng)應(yīng)該選用多線程？我們首先必須回答這些問題。
　　使用多線程的理由之一是和進(jìn)程相比，它是一種非?！肮?jié)儉”的多任務(wù)操作方式。我們知道，在Linux系統(tǒng)下，啟動一個新的進(jìn)程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種“昂貴”的多任務(wù)工作方式。而運行于一個進(jìn)程中的多個線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動一個線程所花費的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動一個進(jìn)程所花費的空間，而且，線程間彼此切換所需的時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時間。據(jù)統(tǒng)計，總的說來，一個進(jìn)程的開銷大約是一個線程開銷的30倍左右，當(dāng)然，在具體的系統(tǒng)上，這個數(shù)據(jù)可能會有較大的區(qū)別。
　　使用多線程的理由之二是線程間方便的通信機制。對不同進(jìn)程來說，它們具有獨立的數(shù)據(jù)空間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進(jìn)行，這種方式不僅費時，而且很不方便。線程則不然，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。當(dāng)然，數(shù)據(jù)的共享也帶來其他一些問題，有的變量不能同時被兩個線程所修改，有的子程序中聲明為static的數(shù)據(jù)更有可能給多線程程序帶來災(zāi)難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時最需要注意的地方。
　　除了以上所說的優(yōu)點外，不和進(jìn)程比較，多線程程序作為一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，當(dāng)然有以下的優(yōu)點：
　　1） 提高應(yīng)用程序響應(yīng)。這對圖形界面的程序尤其有意義，當(dāng)一個操作耗時很長時，整個系統(tǒng)都會等待這個操作，此時程序不會響應(yīng)鍵盤、鼠標(biāo)、菜單的操作，而使用多線程技術(shù)，將耗時長的操作（time consuming）置于一個新的線程，可以避免這種尷尬的情況。
　　2） 使多CPU系統(tǒng)更加有效。操作系統(tǒng)會保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時，不同的線程運行于不同的CPU上。
　　3） 改善程序結(jié)構(gòu)。一個既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個線程，成為幾個獨立或半獨立的運行部分，這樣的程序會利于理解和修改。
　　下面我們先來嘗試編寫一個簡單的多線程程序。
　　2 簡單的多線程編程
　　Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口，稱為pthread。編寫Linux下的多線程程序，需要使用頭文件pthread.h，連接時需要使用庫libpthread.a。順便說一下，Linux下pthread的實現(xiàn)是通過系統(tǒng)調(diào)用clone（）來實現(xiàn)的。clone（）是Linux所特有的系統(tǒng)調(diào)用，它的使用方式類似fork，關(guān)于clone（）的詳細(xì)情況，有興趣的讀者可以去查看有關(guān)文檔說明。下面我們展示一個最簡單的多線程程序 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）;
　　}
　　我們編譯此程序：
　　gcc example1.c -lpthread -o example1
　　運行example1，我們得到如下結(jié)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.
　　再次運行，我們可能得到如下結(jié)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.
　　前后兩次結(jié)果不一樣，這是兩個線程爭奪CPU資源的結(jié)果。上面的示例中，我們使用到了兩個函數(shù)，　　pthread_create和pthread_join，并聲明了一個pthread_t型的變量。
　　pthread_t在頭文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定義：
　　typedef unsigned long int pthread_t;
　　它是一個線程的標(biāo)識符。函數(shù)pthread_create用來創(chuàng)建一個線程，它的原型為：
　　extern int pthread_create __P （（pthread_t *__thread， __const pthread_attr_t *__attr，
　　void *（*__start_routine） （void *）， void *__arg））;
　　第一個參數(shù)為指向線程標(biāo)識符的指針，第二個參數(shù)用來設(shè)置線程屬性，第三個參數(shù)是線程運行函數(shù)的起始地址，最后一個參數(shù)是運行函數(shù)的參數(shù)。這里，我們的函數(shù)thread不需要參數(shù)，所以最后一個參數(shù)設(shè)為空指針。第二個參數(shù)我們也設(shè)為空指針，這樣將生成默認(rèn)屬性的線程。對線程屬性的設(shè)定和修改我們將在下一節(jié)闡述。當(dāng)創(chuàng)建線程成功時，函數(shù)返回0，若不為0則說明創(chuàng)建線程失敗，常見的錯誤返回代碼為EAGAIN和EINVAL。前者表示系統(tǒng)限制創(chuàng)建新的線程，例如線程數(shù)目過多了;后者表示第二個參數(shù)代表的線程屬性值非法。創(chuàng)建線程成功后，新創(chuàng)建的線程則運行參數(shù)三和參數(shù)四確定的函數(shù)，原來的線程則繼續(xù)運行下一行代碼。
　　函數(shù)pthread_join用來等待一個線程的結(jié)束。函數(shù)原型為：
　　extern int pthread_join __P （（pthread_t __th， void **__thread_return））;
　　第一個參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識符，第二個參數(shù)為一個用戶定義的指針，它可以用來存儲被等待線程的返回值。這個函數(shù)是一個線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程結(jié)束為止，當(dāng)函數(shù)返回時，被等待線程的資源被收回。一個線程的結(jié)束有兩種途徑，一種是象我們上面的例子一樣，函數(shù)結(jié)束了，調(diào)用它的線程也就結(jié)束了;另一種方式是通過函數(shù)pthread_exit來實現(xiàn)。它的函數(shù)原型為：
　　extern void pthread_exit __P （（void *__retval）） __attribute__ （（__noreturn__））;
　　唯一的參數(shù)是函數(shù)的返回代碼，只要pthread_join中的第二個參數(shù)thread_return不是NULL，這個值將被傳遞給 thread_return。最后要說明的是，一個線程不能被多個線程等待，否則第一個接收到信號的線程成功返回，其余調(diào)用pthread_join的線程則返回錯誤代碼ESRCH。
　　在這一節(jié)里，我們編寫了一個最簡單的線程，并掌握了最常用的三個函數(shù)pthread_create，pthread_join和pthread_exit。下面，我們來了解線程的一些常用屬性以及如何設(shè)置這些屬性。
　　3 修改線程的屬性
　　在上一節(jié)的例子里，我們用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建了一個線程，在這個線程中，我們使用了默認(rèn)參數(shù)，即將該函數(shù)的第二個參數(shù)設(shè)為NULL。的確，對大多數(shù)程序來說，使用默認(rèn)屬性就夠了，但我們還是有必要來了解一下線程的有關(guān)屬性。
　　屬性結(jié)構(gòu)為pthread_attr_t，它同樣在頭文件/usr/include/pthread.h中定義，喜歡追根問底的人可以自己去查看。屬性值不能直接設(shè)置，須使用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行操作，初始化的函數(shù)為pthread_attr_init，這個函數(shù)必須在pthread_create函數(shù)之前調(diào)用。屬性對象主要包括是否綁定、是否分離、堆棧地址、堆棧大小、優(yōu)先級。默認(rèn)的屬性為非綁定、非分離、缺省1M的堆棧、與父進(jìn)程同樣級別的優(yōu)先級。
　　關(guān)于線程的綁定，牽涉到另外一個概念：輕進(jìn)程（LWP：Light Weight Process）。輕進(jìn)程可以理解為內(nèi)核線程，它位于用戶層和系統(tǒng)層之間。系統(tǒng)對線程資源的分配、對線程的控制是通過輕進(jìn)程來實現(xiàn)的，一個輕進(jìn)程可以控制一個或多個線程。默認(rèn)狀況下，啟動多少輕進(jìn)程、哪些輕進(jìn)程來控制哪些線程是由系統(tǒng)來控制的，這種狀況即稱為非綁定的。綁定狀況下，則顧名思義，即某個線程固定的“綁”在一個輕進(jìn)程之上。被綁定的線程具有較高的響應(yīng)速度，這是因為CPU時間片的調(diào)度是面向輕進(jìn)程的，綁定的線程可以保證在需要的時候它總有一個輕進(jìn)程可用。通過設(shè)置被綁定的輕進(jìn)程的優(yōu)先級和調(diào)度級可以使得綁定的線程滿足諸如實時反應(yīng)之類的要求。
　　設(shè)置線程綁定狀態(tài)的函數(shù)為pthread_attr_setscope，它有兩個參數(shù)，第一個是指向?qū)傩越Y(jié)構(gòu)的指針，第二個是綁定類型，它有兩個取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（綁定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非綁定的）。下面的代碼即創(chuàng)建了一個綁定的線程。
　　#include
　　pthread_attr_t attr;
　　pthread_t tid;
　　/*初始化屬性值，均設(shè)為默認(rèn)值*/
　　pthread_attr_init（&attr）;
　　pthread_attr_setscope（&attr， PTHREAD_SCOPE_SYSTEM）;
　　pthread_create（&tid， &attr， （void *） my_function， NULL）;
　　線程的分離狀態(tài)決定一個線程以什么樣的方式來終止自己。在上面的例子中，我們采用了線程的默認(rèn)屬性，即為非分離狀態(tài)，這種情況下，原有的線程等待創(chuàng)建的線程結(jié)束。只有當(dāng)pthread_join（）函數(shù)返回時，創(chuàng)建的線程才算終止，才能釋放自己占用的系統(tǒng)資源。而分離線程不是這樣子的，它沒有被其他的線程所等待，自己運行結(jié)束了，線程也就終止了，馬上釋放系統(tǒng)資源。程序員應(yīng)該根據(jù)自己的需要，選擇適當(dāng)?shù)姆蛛x狀態(tài)。設(shè)置線程分離狀態(tài)的函數(shù)為 pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr， int detachstate）。第二個參數(shù)可選為PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離線程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分離線程）。這里要注意的一點是，如果設(shè)置一個線程為分離線程，而這個線程運行又非常快，它很可能在 pthread_create函數(shù)返回之前就終止了，它終止以后就可能將線程號和系統(tǒng)資源移交給其他的線程使用，這樣調(diào)用pthread_create的線程就得到了錯誤的線程號。要避免這種情況可以采取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被創(chuàng)建的線程里調(diào)用 pthread_cond_timewait函數(shù)，讓這個線程等待一會兒，留出足夠的時間讓函數(shù)pthread_create返回。設(shè)置一段等待時間，是在多線程編程里常用的方法。但是注意不要使用諸如wait（）之類的函數(shù)，它們是使整個進(jìn)程睡眠，并不能解決線程同步的問題。
　　另外一個可能常用的屬性是線程的優(yōu)先級，它存放在結(jié)構(gòu)sched_param中。用函數(shù)pthread_attr_getschedparam和函數(shù) pthread_attr_setschedparam進(jìn)行存放，一般說來，我們總是先取優(yōu)先級，對取得的值修改后再存放回去。下面即是一段簡單的例子。
　　#include
　　#include
　　pthread_attr_t attr;
　　pthread_t tid;
　　sched_param param;
　　int newprio=20;
　　pthread_attr_init（&attr）;
　　pthread_attr_getschedparam（&attr， ?m）;
　　param.sched_priority=newprio;
　　pthread_attr_setschedparam（&attr， ?m）;
　　pthread_create（&tid， &attr， （void *）myfunction， myarg）;
　　4 線程的數(shù)據(jù)處理
　　和進(jìn)程相比，線程的最大優(yōu)點之一是數(shù)據(jù)的共享性，各個進(jìn)程共享父進(jìn)程處沿襲的數(shù)據(jù)段，可以方便的獲得、修改數(shù)據(jù)。但這也給多線程編程帶來了許多問題。我們必須當(dāng)心有多個不同的進(jìn)程訪問相同的變量。許多函數(shù)是不可重入的，即同時不能運行一個函數(shù)的多個拷貝（除非使用不同的數(shù)據(jù)段）。在函數(shù)中聲明的靜態(tài)變量常常帶來問題，函數(shù)的返回值也會有問題。因為如果返回的是函數(shù)內(nèi)部靜態(tài)聲明的空間的地址，則在一個線程調(diào)用該函數(shù)得到地址后使用該地址指向的數(shù)據(jù)時，別的線程可能調(diào)用此函數(shù)并修改了這一段數(shù)據(jù)。在進(jìn)程中共享的變量必須用關(guān)鍵字volatile來定義，這是為了防止編譯器在優(yōu)化時（如gcc中使用-OX參數(shù)）改變它們的使用方式。為了保護(hù)變量，我們必須使用信號量、互斥等方法來保證我們對變量的正確使用。下面，我們就逐步介紹處理線程數(shù)據(jù)時的有關(guān)知識。
　　4.1 線程數(shù)據(jù)
　　在單線程的程序里，有兩種基本的數(shù)據(jù)：全局變量和局部變量。但在多線程程序里，還有第三種數(shù)據(jù)類型：線程數(shù)據(jù)（TSD： Thread-Specific Data）。它和全局變量很象，在線程內(nèi)部，各個函數(shù)可以象使用全局變量一樣調(diào)用它，但它對線程外部的其它線程是不可見的。這種數(shù)據(jù)的必要性是顯而易見的。例如我們常見的變量errno，它返回標(biāo)準(zhǔn)的出錯信息。它顯然不能是一個局部變量，幾乎每個函數(shù)都應(yīng)該可以調(diào)用它;但它又不能是一個全局變量，否則在 A線程里輸出的很可能是B線程的出錯信息。要實現(xiàn)諸如此類的變量，我們就必須使用線程數(shù)據(jù)。我們?yōu)槊總€線程數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個鍵，它和這個鍵相關(guān)聯(lián)，在各個線程里，都使用這個鍵來指代線程數(shù)據(jù)，但在不同的線程里，這個鍵代表的數(shù)據(jù)是不同的，在同一個線程里，它代表同樣的數(shù)據(jù)內(nèi)容。