Posix線程編程指南(1)
內容：
一、 線程創建
二、線程取消
關於作者
線程創建與取消
楊沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月
這是一個關於Posix線程編程的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第一篇將向您講述線程的創建與取消。
一、 線程創建
1．1 線程與進程
相對進程而言，線程是一個更加接近於執行體的概念，它可以與同進程中的其他線程共享數據，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執行序列。在串行程序基礎上引入線程和進程是為了提高程序的並發度，從而提高程序運行效率和響應時間。
線程和進程在使用上各有優缺點：線程執行開銷小，但不利於資源的管理和保護；而進程正相反。同時，線程適合於在SMP機器上運行，而進程則可以跨機器遷移。
1．2 創建線程
POSIX通過pthread_create()函數創建線程，API定義如下：
int pthread_create(pthread_t * thread, pthread_attr_t * attr,
void * (*start_routine)(void *), void * arg)
與fork()調用創建一個進程的方法不同，pthread_create()創建的線程並不具備與主線程（即調用pthread_create()的線程）同樣的執行序列，而是使其運行start_routine(arg)函數。thread返回創建的線程ID，而attr是創建線程時設置的線程屬性（見下）。pthread_create()的返回值表示線程創建是否成功。儘管arg是void *類型的變量，但它同樣可以作為任意類型的參數傳給start_routine()函數；同時，start_routine()可以返回一個void *類型的返回值，而這個返回值也可以是其他類型，並由pthread_join()獲取。
1．3 線程創建屬性
pthread_create()中的attr參數是一個結構指針，結構中的元素分別對應著新線程的運行屬性，主要包括以下幾項：
__detachstate，表示新線程是否與進程中其他線程脫離同步，如果置位則新線程不能用pthread_join()來同步，且在退出時自行釋放所佔用的資源。缺省為PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。這個屬性也可以在線程創建並運行以後用pthread_detach()來設置，而一旦設置為PTHREAD_CREATE_DETACH狀態（不論是創建時設置還是運行時設置）則不能再恢復到PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。
__schedpolicy，表示新線程的調度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非實時）、SCHED_RR（實時、輪轉法）和SCHED_FIFO（實時、先入先出）三種，缺省為SCHED_OTHER，後兩種調度策略僅對超級用戶有效。運行時可以用過pthread_setschedparam()來改變。
__schedparam，一個struct sched_param結構，目前僅有一個sched_priority整型變量表示線程的運行優先級。這個參數僅當調度策略為實時（即SCHED_RR或SCHED_FIFO）時才有效，並可以在運行時通過pthread_setschedparam()函數來改變，缺省為0。
__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表示新線程使用顯式指定調度策略和調度參數（即attr中的值），而後者表示繼承調用者線程的值。缺省為PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。
__scope，表示線程間競爭CPU的範圍，也就是說線程優先級的有效範圍。POSIX的標準中定義了兩個值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示與系統中所有線程一起競爭CPU時間，後者表示僅與同進程中的線程競爭CPU。目前LinuxThreads僅實現了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。
pthread_attr_t結構中還有一些值，但不使用pthread_create()來設置。
為了設置這些屬性，POSIX定義了一系列屬性設置函數，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個屬性相關的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函數。
1．4 線程創建的Linux實現
我們知道，Linux的線程實現是在核外進行的，核內提供的是創建進程的接口do_fork()。內核提供了兩個系統調用__clone()和fork()，最終都用不同的參數調用do_fork()核內API。當然，要想實現線程，沒有核心對多進程（其實是輕量級進程）共享數據段的支持是不行的，因此，do_fork()提供了很多參數，包括CLONE_VM（共享內存空間）、CLONE_FS（共享文件系統信息）、CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號句柄表）和CLONE_PID（共享進程ID，僅對核內進程，即0號進程有效）。當使用fork系統調用時，內核調用do_fork()不使用任何共享屬性，進程擁有獨立的運行環境，而使用pthread_create()來創建線程時,則最終設置了所有這些屬性來調用__clone()，而這些參數又全部傳給核內的do_fork()，從而創建的"進程"擁有共享的運行環境，只有棧是獨立的，由__clone()傳入。
Linux線程在核內是以輕量級進程的形式存在的，擁有獨立的進程表項，而所有的創建、同步、刪除等操作都在核外pthread庫中進行。pthread庫使用一個管理線程（__pthread_manager()，每個進程獨立且唯一）來管理線程的創建和終止，為線程分配線程ID，發送線程相關的信號（比如Cancel），而主線程（pthread_create()）的調用者則通過管道將請求信息傳給管理線程。
二、線程取消
2．1 線程取消的定義
一般情況下，線程在其主體函數退出的時候會自動終止，但同時也可以因為接收到另一個線程發來的終止（取消）請求而強制終止。
2．2 線程取消的語義
線程取消的方法是向目標線程發Cancel信號，但如何處理Cancel信號則由目標線程自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續運行至Cancelation-point（取消點），由不同的Cancelation狀態決定。
線程接收到CANCEL信號的缺省處理（即pthread_create()創建線程的缺省狀態）是繼續運行至取消點，也就是說設置一個CANCELED狀態，線程繼續運行，只有運行至Cancelation-point的時候才會退出。
2．3 取消點
根據POSIX標準，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數以及read()、write()等會引起阻塞的系統調用都是Cancelation-point，而其他pthread函數都不會引起Cancelation動作。但是pthread_cancel的手冊頁聲稱，由於LinuxThread庫與C庫結合得不好，因而目前C庫函數都不是Cancelation-point；但CANCEL信號會使線程從阻塞的系統調用中退出，並置EINTR錯誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統調用前後調用pthread_testcancel()，從而達到POSIX標準所要求的目標，即如下代碼段：
pthread_testcancel();
retcode = read(fd, buffer, length);
pthread_testcancel();
2．4 程序設計方面的考慮
如果線程處於無限循環中，且循環體內沒有執行至取消點的必然路徑，則線程無法由外部其他線程的取消請求而終止。因此在這樣的循環體的必經路徑上應該加入pthread_testcancel()調用。
2．5 與線程取消相關的pthread函數
int pthread_cancel(pthread_t thread)
發送終止信號給thread線程，如果成功則返回0，否則為非0值。發送成功並不意味著thread會終止。
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
設置本線程對Cancel信號的反應，state有兩種值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分別表示收到信號後設為CANCLED狀態和忽略CANCEL信號繼續運行；old_state如果不為NULL則存入原來的Cancel狀態以便恢復。
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
設置本線程取消動作的執行時機，type由兩種取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，僅當Cancel狀態為Enable時有效，分別表示收到信號後繼續運行至下一個取消點再退出和立即執行取消動作（退出）；oldtype如果不為NULL則存入運來的取消動作類型值。
void pthread_testcancel(void)
檢查本線程是否處於Canceld狀態，如果是，則進行取消動作，否則直接返回。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
posix線程編程指南(2)
內容：
一． 概念及作用
二． 創建和註銷
三． 訪問
四． 使用範例
關於作者
相關內容：
(1) 線程創建與取消
線程私有數據
楊沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月
這是一個關於Posix線程編程的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第二篇將向您講述線程的私有數據。
一． 概念及作用
在單線程程序中，我們經常要用到"全局變量"以實現多個函數間共享數據。在多線程環境下，由於數據空間是共享的，因此全局變量也為所有線程所共有。但有時應用程序設計中有必要提供線程私有的全局變量，僅在某個線程中有效，但卻可以跨多個函數訪問，比如程序可能需要每個線程維護一個鏈表，而使用相同的函數操作，最簡單的辦法就是使用同名而不同變量地址的線程相關數據結構。這樣的數據結構可以由Posix線程庫維護，稱為線程私有數據（Thread-specific Data，或TSD）。
二． 創建和註銷
Posix定義了兩個API分別用來創建和註銷TSD：
int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destr_function) (void *))
該函數從TSD池中分配一項，將其值賦給key供以後訪問使用。如果destr_function不為空，在線程退出（pthread_exit()）時將以key所關聯的數據為參數調用destr_function()，以釋放分配的緩衝區。
不論哪個線程調用pthread_key_create()，所創建的key都是所有線程可訪問的，但各個線程可根據自己的需要往key中填入不同的值，這就相當於提供了一個同名而不同值的全局變量。在LinuxThreads的實現中，TSD池用一個結構數組表示：
static struct pthread_key_struct pthread_keys[PTHREAD_KEYS_MAX] = { { 0, NULL } };
創建一個TSD就相當於將結構數組中的某一項設置為"in_use"，並將其索引返回給*key，然後設置destructor函數為destr_function。
註銷一個TSD採用如下API：
int pthread_key_delete(pthread_key_t key)
這個函數並不檢查當前是否有線程正使用該TSD，也不會調用清理函數（destr_function），而只是將TSD釋放以供下一次調用pthread_key_create()使用。在LinuxThreads中，它還會將與之相關的線程數據項設為NULL（見"訪問"）。
三． 訪問
TSD的讀寫都通過專門的Posix Thread函數進行，其API定義如下：
int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *pointer)
void * pthread_getspecific(pthread_key_t key)
寫入（pthread_setspecific()）時，將pointer的值（不是所指的內容）與key相關聯，而相應的讀出函數則將與key相關聯的數據讀出來。數據類型都設為void *，因此可以指向任何類型的數據。
在LinuxThreads中，使用了一個位於線程描述結構（_pthread_descr_struct）中的二維void *指針數組來存放與key關聯的數據，數組大小由以下幾個宏來說明： #define PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE 32
#define PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE \
((PTHREAD_KEYS_MAX + PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE - 1)
/ PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE)
其中在/usr/include/bits/local_lim.h中定義了PTHREAD_KEYS_MAX為1024，因此一維數組大小為32。而具體存放的位置由key值經過以下計算得到：
idx1st = key / PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE
idx2nd = key % PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE
也就是說，數據存放與一個32×32的稀疏矩陣中。同樣，訪問的時候也由key值經過類似計算得到數據所在位置索引，再取出其中內容返回。
四． 使用範例
以下這個例子沒有什麼實際意義，只是說明如何使用，以及能夠使用這一機制達到存儲線程私有數據的目的。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_key_t key;
void echomsg(int t)
{
printf("destructor excuted in thread %d,param=%d\n",pthread_self(),t);
}
void * child1(void *arg)
{
int tid=pthread_self();
printf("thread %d enter\n",tid);
pthread_setspecific(key,(void *)tid);
sleep(2);
printf("thread %d returns %d\n",tid,pthread_getspecific(key));
sleep(5);
}
void * child2(void *arg)
{
int tid=pthread_self();
printf("thread %d enter\n",tid);
pthread_setspecific(key,(void *)tid);
sleep(1);
printf("thread %d returns %d\n",tid,pthread_getspecific(key));
sleep(5);
}
int main(void)
{
int tid1,tid2;
printf("hello\n");
pthread_key_create(&key,echomsg);
pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
sleep(10);
pthread_key_delete(key);
printf("main thread exit\n");
return 0;
}
給例程創建兩個線程分別設置同一個線程私有數據為自己的線程ID，為了檢驗其私有性，程序錯開了兩個線程私有數據的寫入和讀出的時間，從程序運行結果可以看出，兩個線程對TSD的修改互不干擾。同時，當線程退出時，清理函數會自動執行，參數為tid。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Posix線程編程指南(3)
內容：
一． 互斥鎖
二． 條件變量
三． 信號燈
四． 異步信號
五． 其他同步方式
關於作者
相關內容：
(1) 線程創建與取消
(2) 線程私有數據
線程同步
楊沙洲(pubb@163.net)
2001 年 10 月
這是一個關於Posix線程編程的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第三篇將向您講述線程同步。
一． 互斥鎖
儘管在Posix Thread中同樣可以使用IPC的信號量機制來實現互斥鎖mutex功能，但顯然semphore的功能過於強大了，在Posix Thread中定義了另外一套專門用於線程同步的mutex函數。
1． 創建和銷毀
有兩種方法創建互斥鎖，靜態方式和動態方式。POSIX定義了一個宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來靜態初始化互斥鎖，方法如下：
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
在LinuxThreads實現中，pthread_mutex_t是一個結構，而PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER則是一個結構常量。
動態方式是採用pthread_mutex_init()函數來初始化互斥鎖，API定義如下：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr)
其中mutexattr用於指定互斥鎖屬性（見下），如果為NULL則使用缺省屬性。
pthread_mutex_destroy()用於註銷一個互斥鎖，API定義如下：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
銷毀一個互斥鎖即意味著釋放它所佔用的資源，且要求鎖當前處於開放狀態。由於在Linux中，互斥鎖並不佔用任何資源，因此LinuxThreads中的pthread_mutex_destroy()除了檢查鎖狀態以外（鎖定狀態則返回EBUSY）沒有其他動作。
2． 互斥鎖屬性
互斥鎖的屬性在創建鎖的時候指定，在LinuxThreads實現中僅有一個鎖類型屬性，不同的鎖類型在試圖對一個已經被鎖定的互斥鎖加鎖時表現不同。當前（glibc2.2.3,linuxthreads0.9）有四個值可供選擇：
PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，這是缺省值，也就是普通鎖。當一個線程加鎖以後，其餘請求鎖的線程將形成一個等待隊列，並在解鎖後按優先級獲得鎖。這種鎖策略保證了資源分配的公平性。
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套鎖，允許同一個線程對同一個鎖成功獲得多次，並通過多次unlock解鎖。如果是不同線程請求，則在加鎖線程解鎖時重新競爭。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，檢錯鎖，如果同一個線程請求同一個鎖，則返回EDEADLK，否則與PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP類型動作相同。這樣就保證當不允許多次加鎖時不會出現最簡單情況下的死鎖。
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP，適應鎖，動作最簡單的鎖類型，僅等待解鎖後重新競爭。
3． 鎖操作
鎖操作主要包括加鎖pthread_mutex_lock()、解鎖pthread_mutex_unlock()和測試加鎖pthread_mutex_trylock()三個，不論哪種類型的鎖，都不可能被兩個不同的線程同時得到，而必須等待解鎖。對於普通鎖和適應鎖類型，解鎖者可以是同進程內任何線程；而檢錯鎖則必須由加鎖者解鎖才有效，否則返回EPERM；對於嵌套鎖，文檔和實現要求必須由加鎖者解鎖，但實驗結果表明並沒有這種限制，這個不同目前還沒有得到解釋。在同一進程中的線程，如果加鎖後沒有解鎖，則任何其他線程都無法再獲得鎖。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)
pthread_mutex_trylock()語義與pthread_mutex_lock()類似，不同的是在鎖已經被佔據時返回EBUSY而不是掛起等待。
4． 其他
POSIX線程鎖機制的Linux實現都不是取消點，因此，延遲取消類型的線程不會因收到取消信號而離開加鎖等待。值得注意的是，如果線程在加鎖後解鎖前被取消，鎖將永遠保持鎖定狀態，因此如果在關鍵區段內有取消點存在，或者設置了異步取消類型，則必須在退出回調函數中解鎖。
這個鎖機制同時也不是異步信號安全的，也就是說，不應該在信號處理過程中使用互斥鎖，否則容易造成死鎖。
二． 條件變量
條件變量是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：一個線程等待"條件變量的條件成立"而掛起；另一個線程使"條件成立"（給出條件成立信號）。為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個互斥鎖結合在一起。
1． 創建和註銷
條件變量和互斥鎖一樣，都有靜態動態兩種創建方式，靜態方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER
動態方式調用pthread_cond_init()函數，API定義如下：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)
儘管POSIX標準中為條件變量定義了屬性，但在LinuxThreads中沒有實現，因此cond_attr值通常為NULL，且被忽略。
註銷一個條件變量需要調用pthread_cond_destroy()，只有在沒有線程在該條件變量上等待的時候才能註銷這個條件變量，否則返回EBUSY。因為Linux實現的條件變量沒有分配什麼資源，所以註銷動作只包括檢查是否有等待線程。API定義如下：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)
2． 等待和激發
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime)
等待條件有兩種方式：無條件等待pthread_cond_wait()和計時等待pthread_cond_timedwait()，其中計時等待方式如果在給定時刻前條件沒有滿足，則返回ETIMEOUT，結束等待，其中abstime以與time()系統調用相同意義的絕對時間形式出現，0表示格林尼治時間1970年1月1日0時0分0秒。
無論哪種等待方式，都必須和一個互斥鎖配合，以防止多個線程同時請求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的競爭條件（Race Condition）。mutex互斥鎖必須是普通鎖（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者適應鎖（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在調用pthread_cond_wait()前必須由本線程加鎖（pthread_mutex_lock()），而在更新條件等待隊列以前，mutex保持鎖定狀態，並在線程掛起進入等待前解鎖。在條件滿足從而離開pthread_cond_wait()之前，mutex將被重新加鎖，以與進入pthread_cond_wait()前的加鎖動作對應。
激發條件有兩種形式，pthread_cond_signal()激活一個等待該條件的線程，存在多個等待線程時按入隊順序激活其中一個；而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程。
3． 其他
pthread_cond_wait()和pthread_cond_timedwait()都被實現為取消點，因此，在該處等待的線程將立即重新運行，在重新鎖定mutex後離開pthread_cond_wait()，然後執行取消動作。也就是說如果pthread_cond_wait()被取消，mutex是保持鎖定狀態的，因而需要定義退出回調函數來為其解鎖。
以下示例集中演示了互斥鎖和條件變量的結合使用，以及取消對於條件等待動作的影響。在例子中，有兩個線程被啟動，並等待同一個條件變量，如果不使用退出回調函數（見範例中的註釋部分），則tid2將在pthread_mutex_lock()處永久等待。如果使用回調函數，則tid2的條件等待及主線程的條件激發都能正常工作。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void * child1(void *arg)
{
pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock,&mutex); /* comment 1 */
while(1){
printf("thread 1 get running \n");
printf("thread 1 pthread_mutex_lock returns %d\n",
pthread_mutex_lock(&mutex));
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread 1 condition applied\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(5);
}
pthread_cleanup_pop(0); /* comment 2 */
}
void *child2(void *arg)
{
while(1){
sleep(3); /* comment 3 */
printf("thread 2 get running.\n");
printf("thread 2 pthread_mutex_lock returns %d\n",
pthread_mutex_lock(&mutex));
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread 2 condition applied\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
}
int main(void)
{
int tid1,tid2;
printf("hello, condition variable test\n");
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
pthread_cond_init(&cond,NULL);
pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
do{
sleep(2); /* comment 4 */
pthread_cancel(tid1); /* comment 5 */
sleep(2); /* comment 6 */
pthread_cond_signal(&cond);
}while(1);
sleep(100);
pthread_exit(0);
}
如果不做註釋5的pthread_cancel()動作，即使沒有那些sleep()延時操作，child1和child2都能正常工作。註釋3和註釋4的延遲使得child1有時間完成取消動作，從而使child2能在child1退出之後進入請求鎖操作。如果沒有註釋1和註釋2的回調函數定義，系統將掛起在child2請求鎖的地方；而如果同時也不做註釋3和註釋4的延時，child2能在child1完成取消動作以前得到控制，從而順利執行申請鎖的操作，但卻可能掛起在pthread_cond_wait()中，因為其中也有申請mutex的操作。child1函數給出的是標準的條件變量的使用方式：回調函數保護，等待條件前鎖定，pthread_cond_wait()返回後解鎖。
條件變量機制不是異步信號安全的，也就是說，在信號處理函數中調用pthread_cond_signal()或者pthread_cond_broadcast()很可能引起死鎖。
三． 信號燈
信號燈與互斥鎖和條件變量的主要不同在於"燈"的概念，燈亮則意味著資源可用，燈滅則意味著不可用。如果說後兩中同步方式側重於"等待"操作，即資源不可用的話，信號燈機制則側重於點燈，即告知資源可用；沒有等待線程的解鎖或激發條件都是沒有意義的，而沒有等待燈亮的線程的點燈操作則有效，且能保持燈亮狀態。當然，這樣的操作原語也意味著更多的開銷。
信號燈的應用除了燈亮/燈滅這種二元燈以外，也可以採用大於1的燈數，以表示資源數大於1，這時可以稱之為多元燈。
1． 創建和註銷
POSIX信號燈標準定義了有名信號燈和無名信號燈兩種，但LinuxThreads的實現僅有無名燈，同時有名燈除了總是可用於多進程之間以外，在使用上與無名燈並沒有很大的區別，因此下面僅就無名燈進行討論。
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
這是創建信號燈的API，其中value為信號燈的初值，pshared表示是否為多進程共享而不僅僅是用於一個進程。LinuxThreads沒有實現多進程共享信號燈，因此所有非0值的pshared輸入都將使sem_init()返回-1，且置errno為ENOSYS。初始化好的信號燈由sem變量表徵，用於以下點燈、滅燈操作。
int sem_destroy(sem_t * sem)
被註銷的信號燈sem要求已沒有線程在等待該信號燈，否則返回-1，且置errno為EBUSY。除此之外，LinuxThreads的信號燈註銷函數不做其他動作。
2． 點燈和滅燈
int sem_post(sem_t * sem)
點燈操作將信號燈值原子地加1，表示增加一個可訪問的資源。
int sem_wait(sem_t * sem)
int sem_trywait(sem_t * sem)
sem_wait()為等待燈亮操作，等待燈亮（信號燈值大於0），然後將信號燈原子地減1，並返回。sem_trywait()為sem_wait()的非阻塞版，如果信號燈計數大於0，則原子地減1並返回0，否則立即返回-1，errno置為EAGAIN。
3． 獲取燈值
int sem_getvalue(sem_t * sem, int * sval)
讀取sem中的燈計數，存於*sval中，並返回0。
4． 其他
sem_wait()被實現為取消點，而且在支持原子"比較且交換"指令的體系結構上，sem_post()是唯一能用於異步信號處理函數的POSIX異步信號安全的API。
四． 異步信號
由於LinuxThreads是在核外使用核內輕量級進程實現的線程，所以基於內核的異步信號操作對於線程也是有效的。但同時，由於異步信號總是實際發往某個進程，所以無法實現POSIX標準所要求的"信號到達某個進程，然後再由該進程將信號分發到所有沒有阻塞該信號的線程中"原語，而是只能影響到其中一個線程。
POSIX異步信號同時也是一個標準C庫提供的功能，主要包括信號集管理（sigemptyset()、sigfillset()、sigaddset()、sigdelset()、sigismember()等）、信號處理函數安裝（sigaction()）、信號阻塞控制（sigprocmask()）、被阻塞信號查詢（sigpending()）、信號等待(sigsuspend())等，它們與發送信號的kill()等函數配合就能實現進程間異步信號功能。LinuxThreads圍繞線程封裝了sigaction()何raise()，本節集中討論LinuxThreads中擴展的異步信號函數，包括pthread_sigmask()、pthread_kill()和sigwait()三個函數。毫無疑問，所有POSIX異步信號函數對於線程都是可用的。
int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *newmask, sigset_t *oldmask)
設置線程的信號屏蔽碼，語義與sigprocmask()相同，但對不允許屏蔽的Cancel信號和不允許響應的Restart信號進行了保護。被屏蔽的信號保存在信號隊列中，可由sigpending()函數取出。
int pthread_kill(pthread_t thread, int signo)
向thread號線程發送signo信號。實現中在通過thread線程號定位到對應進程號以後使用kill()系統調用完成發送。
int sigwait(const sigset_t *set, int *sig)
掛起線程，等待set中指定的信號之一到達，並將到達的信號存入*sig中。POSIX標準建議在調用sigwait()等待信號以前，進程中所有線程都應屏蔽該信號，以保證僅有sigwait()的調用者獲得該信號，因此，對於需要等待同步的異步信號，總是應該在創建任何線程以前調用pthread_sigmask()屏蔽該信號的處理。而且，調用sigwait()期間，原來附接在該信號上的信號處理函數不會被調用。
如果在等待期間接收到Cancel信號，則立即退出等待，也就是說sigwait()被實現為取消點。
五． 其他同步方式
除了上述討論的同步方式以外，其他很多進程間通信手段對於LinuxThreads也是可用的，比如基於文件系統的IPC（管道、Unix域Socket等）、消息隊列（Sys.V或者Posix的）、System V的信號燈等。只有一點需要注意，LinuxThreads在核內是作為共享存儲區、共享文件系統屬性、共享信號處理、共享文件描述符的獨立進程看待的。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Posix線程編程指南(4)
內容：
1． 線程終止方式
2． 線程終止時的清理
3． 線程終止的同步及其返回值
4． 關於pthread_exit()和return
參考資料
關於作者
相關內容：
(1) 線程創建與取消
(2) 線程私有數據
(3) 線程同步
線程終止
楊沙洲(pubb@163.net)
2001 年 11 月
這是一個關於Posix線程編程的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第四篇將向您講述線程中止。
1． 線程終止方式
一般來說，Posix的線程終止有兩種情況：正常終止和非正常終止。線程主動調用pthread_exit()或者從線程函數中return都將使線程正常退出，這是可預見的退出方式；非正常終止是線程在其他線程的干預下，或者由於自身運行出錯（比如訪問非法地址）而退出，這種退出方式是不可預見的。
2． 線程終止時的清理
不論是可預見的線程終止還是異常終止，都會存在資源釋放的問題，在不考慮因運行出錯而退出的前提下，如何保證線程終止時能順利的釋放掉自己所佔用的資源，特別是鎖資源，就是一個必須考慮解決的問題。
最經常出現的情形是資源獨佔鎖的使用：線程為了訪問臨界資源而為其加上鎖，但在訪問過程中被外界取消，如果線程處於響應取消狀態，且採用異步方式響應，或者在打開獨佔鎖以前的運行路徑上存在取消點，則該臨界資源將永遠處於鎖定狀態得不到釋放。外界取消操作是不可預見的，因此的確需要一個機制來簡化用於資源釋放的編程。
在POSIX線程API中提供了一個pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()函數對用於自動釋放資源--從pthread_cleanup_push()的調用點到pthread_cleanup_pop()之間的程序段中的終止動作（包括調用pthread_exit()和取消點終止）都將執行pthread_cleanup_push()所指定的清理函數。API定義如下：
void pthread_cleanup_push(void (*routine) (void *), void *arg)
void pthread_cleanup_pop(int execute)
pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()採用先入後出的棧結構管理，void routine(void *arg)函數在調用pthread_cleanup_push()時壓入清理函數棧，多次對pthread_cleanup_push()的調用將在清理函數棧中形成一個函數鏈，在執行該函數鏈時按照壓棧的相反順序彈出。execute參數表示執行到pthread_cleanup_pop()時是否在彈出清理函數的同時執行該函數，為0表示不執行，非0為執行；這個參數並不影響異常終止時清理函數的執行。
pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()是以宏方式實現的，這是pthread.h中的宏定義：
#define pthread_cleanup_push(routine,arg) \
{ struct _pthread_cleanup_buffer _buffer; \
_pthread_cleanup_push (&_buffer, (routine), (arg));
#define pthread_cleanup_pop(execute) \
_pthread_cleanup_pop (&_buffer, (execute)); }
可見，pthread_cleanup_push()帶有一個"{"，而pthread_cleanup_pop()帶有一個"}"，因此這兩個函數必須成對出現，且必須位於程序的同一級別的代碼段中才能通過編譯。在下面的例子裡，當線程在"do some work"中終止時，將主動調用pthread_mutex_unlock(mut)，以完成解鎖動作。
pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, (void *) &mut);
pthread_mutex_lock(&mut);
/* do some work */
pthread_mutex_unlock(&mut);
pthread_cleanup_pop(0);
必須要注意的是，如果線程處於PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS狀態，上述代碼段就有可能出錯，因為CANCEL事件有可能在pthread_cleanup_push()和pthread_mutex_lock()之間發生，或者在pthread_mutex_unlock()和pthread_cleanup_pop()之間發生，從而導致清理函數unlock一個並沒有加鎖的mutex變量，造成錯誤。因此，在使用清理函數的時候，都應該暫時設置成PTHREAD_CANCEL_DEFERRED模式。為此，POSIX的Linux實現中還提供了一對不保證可移植的pthread_cleanup_push_defer_np()/pthread_cleanup_pop_defer_np()擴展函數，功能與以下代碼段相當：
{ int oldtype;
pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, &oldtype);
pthread_cleanup_push(routine, arg);
...
pthread_cleanup_pop(execute);
pthread_setcanceltype(oldtype, NULL);
}
3． 線程終止的同步及其返回值
一般情況下，進程中各個線程的運行都是相互獨立的，線程的終止並不會通知，也不會影響其他線程，終止的線程所佔用的資源也並不會隨著線程的終止而得到釋放。正如進程之間可以用wait()系統調用來同步終止並釋放資源一樣，線程之間也有類似機制，那就是pthread_join()函數。
void pthread_exit(void *retval)
int pthread_join(pthread_t th, void **thread_return)
int pthread_detach(pthread_t th)
pthread_join()的調用者將掛起並等待th線程終止，retval是pthread_exit()調用者線程（線程ID為th）的返回值，如果thread_return不為NULL，則*thread_return=retval。需要注意的是一個線程僅允許唯一的一個線程使用pthread_join()等待它的終止，並且被等待的線程應該處於可join狀態，即非DETACHED狀態。
如果進程中的某個線程執行了pthread_detach(th)，則th線程將處於DETACHED狀態，這使得th線程在結束運行時自行釋放所佔用的內存資源，同時也無法由pthread_join()同步，pthread_detach()執行之後，對th請求pthread_join()將返回錯誤。
一個可join的線程所佔用的內存僅當有線程對其執行了pthread_join()後才會釋放，因此為了避免內存洩漏，所有線程的終止，要麼已設為DETACHED，要麼就需要使用pthread_join()來回收。
4． 關於pthread_exit()和return
理論上說，pthread_exit()和線程宿體函數退出的功能是相同的，函數結束時會在內部自動調用pthread_exit()來清理線程相關的資源。但實際上二者由於編譯器的處理有很大的不同。
在進程主函數（main()）中調用pthread_exit()，只會使主函數所在的線程（可以說是進程的主線程）退出；而如果是return，編譯器將使其調用進程退出的代碼（如_exit()），從而導致進程及其所有線程結束運行。
其次，在線程宿主函數中主動調用return，如果return語句包含在pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()對中，則不會引起清理函數的執行，反而會導致segment fault。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Posix線程編程指南(5)
內容：
1．獲得本線程ID
2．判斷兩個線程是否為同一線程
3．僅執行一次的操作
4．pthread_kill_other_threads_np()
關於作者
相關內容：
(1) 線程創建與取消
(2) 線程私有數據
(3) 線程同步
(4) 線程終止
雜項
楊沙洲(pubb@163.net)
2001 年 11 月
這是一個關於Posix線程編程的專欄。作者在闡明概念的基礎上，將向您詳細講述Posix線程庫API。本文是第五篇將向您講述pthread_self()、pthread_equal()和pthread_once()等雜項函數。
在Posix線程規範中還有幾個輔助函數難以歸類，暫且稱其為雜項函數，主要包括pthread_self()、pthread_equal()和pthread_once()三個，另外還有一個LinuxThreads非可移植性擴展函數pthread_kill_other_threads_np()。本文就介紹這幾個函數的定義和使用。
1． 獲得本線程ID
pthread_t pthread_self(void)
本函數返回本線程的標識符。
在LinuxThreads中，每個線程都用一個pthread_descr結構來描述，其中包含了線程狀態、線程ID等所有需要的數據結構，此函數的實現就是在線程棧幀中找到本線程的pthread_descr結構，然後返回其中的p_tid項。
pthread_t類型在LinuxThreads中定義為無符號長整型。
2． 判斷兩個線程是否為同一線程
int pthread_equal(pthread_t thread1, pthread_t thread2)
判斷兩個線程描述符是否指向同一線程。在LinuxThreads中，線程ID相同的線程必然是同一個線程，因此，這個函數的實現僅僅判斷thread1和thread2是否相等。
3． 僅執行一次的操作
int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine) (void))
本函數使用初值為PTHREAD_ONCE_INIT的once_control變量保證init_routine()函數在本進程執行序列中僅執行一次。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_once_t once=PTHREAD_ONCE_INIT;
void once_run(void)
{
printf("once_run in thread %d\n",pthread_self());
}
void * child1(void *arg)
{
int tid=pthread_self();
printf("thread %d enter\n",tid);
pthread_once(&once,once_run);
printf("thread %d returns\n",tid);
}
void * child2(void *arg)
{
int tid=pthread_self();
printf("thread %d enter\n",tid);
pthread_once(&once,once_run);
printf("thread %d returns\n",tid);
}
int main(void)
{
int tid1,tid2;
printf("hello\n");
pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
sleep(10);
printf("main thread exit\n");
return 0;
}
once_run()函數僅執行一次，且究竟在哪個線程中執行是不定的，儘管pthread_once(&once,once_run)出現在兩個線程中。
LinuxThreads使用互斥鎖和條件變量保證由pthread_once()指定的函數執行且僅執行一次，而once_control則表徵是否執行過。如果once_control的初值不是PTHREAD_ONCE_INIT（LinuxThreads定義為0），pthread_once()的行為就會不正常。在LinuxThreads中，實際"一次性函數"的執行狀態有三種：NEVER（0）、IN_PROGRESS（1）、DONE（2），如果once初值設為1，則由於所有pthread_once()都必須等待其中一個激發"已執行一次"信號，因此所有pthread_once()都會陷入永久的等待中；如果設為2，則表示該函數已執行過一次，從而所有pthread_once()都會立即返回0。
4． pthread_kill_other_threads_np()
void pthread_kill_other_threads_np(void)
這個函數是LinuxThreads針對本身無法實現的POSIX約定而做的擴展。POSIX要求當進程的某一個線程執行exec*系統調用在進程空間中加載另一個程序時，當前進程的所有線程都應終止。由於LinuxThreads的侷限性，該機制無法在exec中實現，因此要求線程執行exec前手工終止其他所有線程。pthread_kill_other_threads_np()的作用就是這個。
需要注意的是，pthread_kill_other_threads_np()並沒有通過pthread_cancel()來終止線程，而是直接向管理線程發"進程退出"信號，使所有其他線程都結束運行，而不經過Cancel動作，當然也不會執行退出回調函數。儘管LinuxThreads的實驗結果與文檔說明相同，但代碼實現中卻是用的__pthread_sig_cancel信號來kill線程，應該效果與執行pthread_cancel()是一樣的，其中原因目前還不清楚。
