Linux 中的线程

线程和线程ID

内核并没有线程这个概念。Linux把所有的线程都当做进程来实现，线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程。

下面关于线程的讨论是基于POSIX的标准。

进程的id用pid_t结构表示，类似的，线程的id用pthread_t结构表示。具体的值可以通过pthread_self函数得到，pthread_t之间的比较通过pthread_equal函数实现。

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);

创建线程

新线程使用pthread_create函数创建：

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restirct tidp,
                   const pthread_attr_t *restrict attr,
                   void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg);
/* 成功则返回0，出错返回错误编号 */

参数解释如下：

tidp指向的内存单元被存入新线程的id。
attr表示线程创建的一些属性，之后再介绍。
start_rtn是一个函数的地址，表示新线程创建后要执行的函数。
arg表示start_rtn函数的参数的指针。

线程终止

进程的终止有3种方式：

从启动时执行的函数中返回，返回值是线程的退出码。
线程调用pthread_exit函数。
被同一进程中的其他线程取消。

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *rval_ptr);

rval_ptr是一个无类型指针，如果线程是从它的启动例程返回，则可以把rval_ptr强制转换为int，表示线程的返回码。进程中的其他线程可以通过pthread_join函数访问到这个地址：

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);

调用线程将一直阻塞，直到指定的线程终止。

线程可以通过pthread_cancel函数请求取消同一进程中的其他线程：

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t tid);

线程同步

内核中的同步可以参考一步步理解Linux之内核同步 POSIX也定义了类似的同步方法。

互斥量

互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，使用前需要初始化，可以通过把它设置为常量 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只对静态分配的互斥量）或者通过pthread_mutex_init 函数进行初始化。销毁互斥量可以通过pthread_mutex_destroy函数。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
                       const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数attr表示互斥量的参数，使用默认参数直接设置为NULL即可。

下面三个函数用于获得互斥量和释放互斥量：

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

读写锁

类似于内核中的“读写自旋锁”，有可能导致写进程的饥饿。主要的操作函数是：

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                        const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

条件变量

条件变量给多个线程提供了一个汇合的场所，条件变量通过pthread_cond_t结构表示，它本身需要一个互斥量进行保护。在等待的条件还没有成立时，线程会被放到一个队列中，等到这个条件满足时，可以选择唤醒队列中的一个线程或者全部线程。

可以静态地把一个条件变量初始化为PTHREAD_INITIALIZER，也可以使用下面的函数初始化和销毁一个条件变量：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
                      pthread_cond_attr *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

下面两个函数让线程等待特定的条件变量，注意使用了一个互斥量进行保护，其中后者有一个超时时间的参数，但超过这个时间后即使条件没有成立也会返回。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
                      pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *restrict cond,
                          pthread_mutex_t *restrict mutex,
                          const struct timespec *restrict timeout);

下面两个函数用于通知线程某个条件已经满足：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

其中pthread_cond_broadcast会唤醒这个条件变量等待队列上的所有线程，而 pthread_cond_signal只唤醒其中的一个。

参考资料：

《UNIX环境高级编程》
《Linux内核设计与实现》
《深入理解Linux内核》