APUE学习笔记五——线程
概念
每个线程都包含有表示执行环境所必需的信息，其中包括进程中标识线程的线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno变量以及线程私有数据。一个进程的所有信息对该进程的所有线程都时共享的，包括可执行程序的代码、程序的全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。
线程的标识和创建
pthread_equal()：比较两个线程ID；pthread_self()：获得自身的线程ID；pthread_create()：创建线程，新线程继承调用线程的浮点环境和信号屏蔽字，但是该线程的挂起信号集（尚未递送的信号）会被清除。
线程的终止
- 线程可以简单地从启动例程中返回，返回值是线程的退出码；
- 线程可以被同一进程中的其他线程取消；
- 线程调用pthread_exit。
pthread_jon将阻塞等待指定线程终止。
线程可以通过调用pthread_cancel函数请求取消同一进程中的其他线程。
在默认情况下，线程的终止状态会保存直到对该线程调用pthread_join。如果线程已经被分离，线程的底层存储资源可以在线程终止时立即被收回。调用pthread_detach分离线程。
线程清理程序
当线程执行以下动作时，清理函数是由pthread_cleanup_push函数调度的，调用时只有一个参数：
- 调用pthread_exit时；
- 响应取消请求；
- 用非零execute参数调用pthread_cleanup_pop时。
如果execute参数设置为0，清理函数将不被调用。不管发生上述哪种情况，pthread_cleanup_pop都将删除上次pthread_cleanup_push调用建立的清理程序。
以上两个函数必须成对匹配调用。
如果线程是通过从它的启动例程中返回而终止的话，它的清理处理程序就不会被调用。
线程同步
互斥量
用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用之前，必须首先对它进行初始化，可以把它设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只适用于静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_mutex_init函数进行初始化。如果动态分配互斥量（例如，通过调用malloc函数），在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。
对互斥量的锁操作：pthread_mutex_init()、pthread_mutex_destroy()、pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_trylock()、pthread_mutex_unlock()、pthread_mutex_timedlock()。
如果锁的粒度太粗，就会出现很多线程阻塞等待相同的锁，这可能并不能改善并发性。如果锁的粒度太细，那么过多的锁开销会使系统性能受到影响，而且代码变得复杂。
读写锁
读写锁可以有3种状态：读模式、写模式、不加锁。
用pthread_rwlock_t数据类型表示，在使用之前，必须首先对它进行初始化，可以把它设置为常量PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER（只适用于静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_rwlock_init函数进行初始化。如果动态分配互斥量（例如，通过调用malloc函数），在释放内存前需要调用pthread_rwlock_destroy。
对读写锁的锁操作：pthread_rwlock_init()、pthread_rwlock_destroy()、pthread_rwlock_rdlock()、pthread_rwlock_wrlock()、pthread_rwlock_unlock()、pthread_rwlock_tryrdlock()、pthread_rwlock_trywrlock()、pthread_rwlock_timedrdlock()、pthread_rwlock_timedwrlock()。
条件变量
用pthread_cond_t数据类型表示，在使用之前，必须首先对它进行初始化，可以把它设置为常量PTHREAD_COND_INITIALIZER（只适用于静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_cond_init函数进行初始化。如果动态分配互斥量（例如，通过调用malloc函数），在释放内存前需要调用pthread_cond_destroy。
对条件变量的锁操作：pthread_cond_init()、pthread_cond_destroy()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、pthread_cond_signal()、pthread_cond_broadcast()。
自旋锁
自旋锁与互斥量类似，但它不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直在忙等阻塞状态。自旋锁可以应用与以下情况：锁被持有的时间短，而且线程并不希望在重新调度上花费太多成本。
对自旋锁的锁操作：pthread_spin_init()、pthread_spin_destroy()、pthread_spin_lock()、pthread_spin_trylock()、pthread_spin_unlock()。
屏障
屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程都到达某一点，然后从该点继续执行。我们已经看到一种屏障，pthread_join函数就是一种屏障，允许一个线程等待，直到另一个线程退出。但是屏障对象的概念更广，它们允许任意数量的线程等待，直到所有的线程完成处理工作，而线程不需要退出，所有线程达到屏障后可以接着工作。
对屏障的操作：pthread_barrier_init()、pthread_barrier_destroy()、pthread_barrier_wait()。
如果线程调用了最后一个pthread_barrier_wait，就满足了屏障计数，所有的线程都被唤醒。对于任意一个线程，pthread_barrier_wait函数返回了PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD。剩下的线程看到的返回是0.这使得一个线程可以作为主线程，它可以工作在其他所有线程已完成的工作结果上。
一旦达到屏障计数值，而且线程处于非阻塞状态，屏障可以被重用。但是除非调用了pthread_barrier_destroy函数之后，又调用了pthread_barrier_init函数对计数用另外的数进行初始化，否则屏障计数不会改变。
线程控制
线程限制
线程属性
结构：pthread_attr_t
- detachstate
- guardsize
- stackaddr
- stacksize
pthread_attr_init()的实现对属性对象的内存空间是动态分配的，pthread_attr_destroy()就会释放该内存空间。
如果对现有的某个线程的终止状态不感兴趣的话，可以使用pthread_detach函数让操作系统在线程退出时收回它占用的资源。函数：pthread_attr_getdetachstate()、pthread_attr_setdetachstate()。
同步属性
1、互斥量属性
进程共享属性（多个进程是否共享）、健壮属性（与在多个进程间共享的互斥量有关）、类型属性（控制着互斥量的锁定特性）。pthread_mutexattr_init()、pthread_mutexattr_destroy()、pthread_mutexattr_getpshared()、pthread_mutexattr_setpshared()、pthread_mutexattr_getrobust()、pthread_mutexattr_setrobust()、pthread_mutex_consistent()、pthread_mutexattr_gettype()、pthread_mutexattr_settype()。
2、读写锁属性
进程共享属性。pthread_rwlockattr_init()、pthread_rwlockattr_destroy()、pthread_rwlockattr_getpshared()、pthread_rwlockattr_setpshared()。
3、条件变量属性
进程共享属性、时钟属性（控制计算pthread_cond_timewait函数的超时参数采用的是哪个时钟）。pthread_condattr_init()、pthread_condattr_destroy()、pthread_condattr_getpshared()、pthread_condattr_setpshared()、pthread_condattr_getclock()、pthread_condattr_setclock()。
4、屏障属性
进程共享属性。pthread_barrierattr_init()、pthread_barrierattr_destroy()、pthread_barrierattr_getpshared()、pthread_barrierattr_setpshared()。
重入
如果一个函数在相同时间点可以被多个线程安全地调用，就称该函数是线程安全的。但这并不能说明对信号处理程序来说该函数也是可重入的。如果函数对异步信号处理程序的重入是安全的，那么就可以说函数是异步信号安全的。
线程特定数据
存储和查询某个特定线程相关数据的一种机制。
在分配线程特定数据之前，需要创建与该数据关联的键。这个键将用于对线程特定数据的访问。pthread_key_create(pthread_key_t *keyp, void (*destructor) (void *))函数创建的键存储在keyp指向的内存单元中，这个键可以被进程中的所有线程使用，但每个线程把这个键与不同的线程特定数据地址进行关联。创建新键时，每个线程地址设为空值。
除了创建键以外，pthread_key_create可以为该键关联一个可选择的析构函数。当这个线程退出时，如果数据地址已经被设置为非空值，那么析构函数就会被调用，它唯一的参数就是该数据地址。如果传入的析构函数为空，就表明没有析构函数与这个键关联。当线程调用pthread_exit或者线程执行返回，正常退出时，析构函数就会被调用。同样，线程取消时，只有在最后的清理处理程序返回之后，析构函数才会被调用。如果线程调用了exit、_exit、_Exit或abort，或者出现其他非正常的退出时，就不会调用析构函数。
线程通常使用malloc为线程特定数据分配内存。析构函数通常释放已分配的内存。如果线程在没有释放内存之前就退出了，那么这块内存就会丢失，即线程所属进程就出现了内存泄露。
线程可以为线程特定数据分配多个键，每个键都可以有一个析构函数与它关联。每个键的析构函数可以互不相同，当然所有键也可以使用相同的析构函数。每个操作系统实现可以对进程可分配的键的数量进行限制（PTHREAD_KEYS_MAX）。
线程退出时，线程特定数据的析构函数将按照操作系统视线中定义的顺序被调用。析构函数可能会调用另一个函数，该函数可能会创建新的线程特定数据，并且把这个数据与当前的键关联起来。当所有的析构函数都调用完以后，系统会检查是否还有非空的线程特定数据值与键关联，如果有的话，再次调用析构函数。这个过程会一直持续到线程所有的键都为空线程特定数据值，或者已经做了PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS中定义的最大次数的尝试。
对所有线程，我们都可以通过调用pthread_key_delete来取消键与线程特定数据值之间的关联关系。注意，调用pthread_key_delete并不会激活与键关联的析构函数。要释放任何与键关联的线程特定数据值的内存，需要在应用程序中采取额外的步骤。
pthread_once确保函数只被调用一次。
键一旦被创建，就可以通过调用pthread_setspecific函数把键和线程特定数据关联起来。可以通过pthread_getspecific函数获得线程特定数据的地址。
取消选项
有两个线程属性并没有包含在pthread_attr_t结构中，它们是可取消状态（PTHREAD_CANCEL_ENABLE、PTHREAD_CANCEL_DISABLE）和可取消类型。这两个属性影响着线程在响应pthread_cancel函数调用时所呈现的行为。
pthread_setcancelstate设置可取消状态。
在默认情况下，线程在取消请求发出以后还是继续执行，直到线程到达某个取消点。取消点是线程检查它是否被取消的一个位置，如果取消了，则按照请求行事。（如果把取消disable，那么是不是线程就省去了检查取消点的耗费）
如果线程的状态为PTHREAD_CANCEL_DISABLE时，对pthread_cancel的调用并不会杀死线程。相反，取消请求对这个线程来说还处于挂起状态，当取消状态再次变为PTHREAD_CANCEL_ENABLE时，线程将在下一个取消点上对所有挂起的取消请求进行处理。
POSIX.1定义了一些可选的取消点：P363。线程也可以添加自己的取消点，调用pthread_testcancel函数。
可以通过调用pthread_setcanceltype来修改取消类型（推迟取消、异步取消）。
异步取消使得线程可以在任意时间撤销，而不是非得遇到取消点才被取消。
线程与信号
每个线程都有自己的信号屏蔽字，但是信号的处理是进程中的所有线程共享的。这意味着单个线程可以阻止某些信号，但当某个线程修改了与某个给定信号相关的处理行为后，所有的线程都必须共享这个处理行为的改变。
进程中的信号是递送到单个线程的。如果一个信号与硬件故障有关，那么该信号一般会被发送到引起该事件的线程中去，而其他的信号则被发送到任意一个线程。
线程使用pthread_sigmask设置信号屏蔽字，sigwait等待一个或多个信号的出现。
如果多个线程在sigwait的调用中因等待同一个信号而阻塞，那么在信号递送的时候，就只有一个线程可以从sigwait中返回。如果一个信号被捕获，而且一个线程正在sigwait调用中等待同一信号，那么这是将由操作系统实现决定以何种方式递送信号。操作系统实现可以让sigwait返回，也可以激活信号处理程序，但这两种情况不会同时发生。
调用pthread_kill可以把信号发送给线程。
注意，闹钟定时器是进程资源，并且所有的线程共享相同的闹钟。所以，进程中的多个线程不能互不干扰地使用闹钟定时器。
线程和fork
在子进程的内部，只存在一个线程，它是由父进程中调用fork的线程的副本构成的。如果父进程中的线程占有锁，子进程将同样占有这些锁。问题是子进程并不包含占有锁的线程的副本，所以子进程没有办法直到它占有了哪些锁、需要释放哪些锁。
如果子进程从fork返回以后马上调用其中一个exec函数，就可以避免这样的问题。这种情况下，旧的地址空间就被丢弃，所以锁的状态无关紧要。但如果子进程需要继续作处理工作的话，这种策略就行不通，还需要使用其他的策略。
在多线程的进程中，为了避免不一致状态的问题，POSIX.1声明，在fork返回和子进程调用其中一个exec函数之间，子进程只能调用异步信号安全的函数。这就限制了在调用exec之间子进程能做什么，但不涉及子进程中锁状态的问题。
要清除锁状态，可以通过调用pthread_atfork函数建立fork处理程序。
线程和IO
pread()、pwrite()