Posix Thread

### Posix Thread (Pthreads) 编程基础知识 #### 摘要 在共享内存多处理器架构（如SMP）中，线程可以用来实现并行性。历史上，硬件供应商通常会实现自己的专有线程版本，这为软件开发者带来了移植性的困扰。针对UNIX系统，IEEE通过POSIX 1003.1c标准规定了一种标准化的C语言线程编程接口。遵循此标准的实现被称为POSIX线程或简称Pthreads。 本教程首先介绍使用Pthreads的概念、动机和设计考虑因素。接着对Pthreads API中的三大类例程进行了详述：线程管理、互斥变量(Mutex Variables)和条件变量(Condition Variables)。此外，还提供了大量的示例代码来展示如何使用新Pthreads程序员所需掌握的大多数Pthreads例程。讨论了如何在IBM SMP环境中开发混合MPI/Pthreads程序，并附带了一些示例代码（C语言）。适合初级用户学习。 #### Pthreads概览 ##### 什么是线程？ 线程是进程中的执行单元，具有独立的控制流和共享资源的能力。每个进程至少有一个主线程，而线程间的通信比进程间通信更为简单快捷。线程之间共享进程的数据空间，但每个线程都有独立的栈和寄存器上下文。 ##### 什么是Pthreads？ Pthreads是基于POSIX标准的一套线程库，它提供了一个跨平台且标准化的方式来创建和管理线程。Pthreads支持多种操作系统，包括Linux、macOS和其他类Unix系统。使用Pthreads可以编写可移植的多线程应用程序。 ##### 为什么选择Pthreads？ Pthreads之所以受到欢迎，主要因为它： - **标准化**：遵循POSIX标准，确保了程序的可移植性。 - **广泛支持**：几乎所有现代的类Unix系统都支持Pthreads。 - **高效性**：线程之间的切换开销相对较小。 - **易用性**：API简洁明了，易于学习和使用。 ##### 设计线程化程序 在设计线程化程序时，需要考虑以下几个关键点： - **确定线程数目**：根据系统的硬件特性和任务特性来决定合适的线程数量。 - **同步机制**：正确使用互斥锁和条件变量等工具来避免数据竞争。 - **错误处理**：设计适当的错误处理机制以应对潜在的问题。 #### Pthreads API Pthreads API分为三大类：线程管理、互斥变量管理和条件变量管理。 ##### 线程管理 - **创建和终止线程**：通过`pthread_create`函数创建新线程，`pthread_exit`或`pthread_cancel`函数用于终止线程。 - **传递参数给线程**：可以通过`pthread_create`函数将参数传递给新创建的线程。 - **加入和分离线程**：使用`pthread_join`函数等待线程完成，使用`pthread_detach`函数分离线程，使其自动结束。 - **栈管理**：线程可以使用默认栈大小，也可以通过`pthread_attr_setstacksize`等函数自定义栈大小。 ##### 互斥变量 - **互斥变量概述**：互斥变量是一种同步原语，用于保护共享数据不受多个线程的同时访问。 - **创建和销毁互斥变量**：使用`pthread_mutex_init`和`pthread_mutex_destroy`函数。 - **锁定和解锁互斥变量**：通过`pthread_mutex_lock`和`pthread_mutex_unlock`函数实现。 ##### 条件变量 - **条件变量概述**：条件变量是一种同步机制，用于在线程之间进行协作。 - **创建和销毁条件变量**：使用`pthread_cond_init`和`pthread_cond_destroy`函数。 - **等待和发送信号**：`pthread_cond_wait`用于使线程等待特定条件，而`pthread_cond_signal`和`pthread_cond_broadcast`用于通知等待的线程。 #### 编译线程化程序 编译Pthreads程序时，需要链接到Pthreads库。通常情况下，在编译命令行中添加`-lpthread`即可。 #### 结论与扩展 通过本教程的学习，您应该已经掌握了Pthreads的基础知识，能够编写简单的多线程程序。接下来，您可以进一步探索更高级的主题，如高级同步机制、性能优化技巧等。此外，还可以参考相关的文档和在线资源，以获得更多的实践经验和深入理解。