操作系统思考 第九章 线程
第九章 线程
译者：飞龙
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，它们需要对互斥体“上锁”，这样可以阻塞住所有其它线程。假设线程A对互斥体上锁，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。
对互斥体上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。
