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POSIX 多线程程序设计
Blaise Barney, Lawrence Livermore National Laboratory
目录表
1.摘要
2.Pthreads 概述
1.什么是线程?
2.什么是Pthreads?
3.为什么使用Pthreads?
4.使用线程设计程序
3.Pthreads API编译多线程程序
4.线程管理
1.创建和终止线程
2.向线程传递参数
3.连接（Joining）和分离（ Detaching）线程
4.栈管理
5.其它函数
5.互斥量（Mutex Variables）
1.互斥量概述
2.创建和销毁互斥量
3.锁定（Locking）和解锁（Unlocking）互斥量
6.条件变量（Condition Variable）
1.条件变量概述
2.创建和销毁条件变量
3.等待（Waiting）和发送信号（Signaling）
7.没有覆盖的主题
8.Pthread 库API参考
9.参考资料
摘要
在多处理器共享内存的架构中（如：对称多处理系统SMP），线程可以用于实现程序的并行性。历史上硬件销售商实现了各种私有版本的多线程库，使得软件开发者不得不关心它的移植性。对于UNIX系统，IEEE POSIX 1003.1标准定义了一个C语言多线程编程接口。依附于该标准的实现被称为POSIX theads 或 Pthreads。
该教程介绍了Pthreads的概念、动机和设计思想。内容包含了Pthreads API主要的三大类函数：线程管理（Thread Managment）、互斥量（Mutex Variables）和条件变量（Condition Variables）。向刚开始学习Pthreads的程序员提供了演示例程。
适于：刚开始学习使用线程实现并行程序设计；对于C并行程序设计有基本了解。不熟悉并行程序设计的可以参考EC3500: Introduction To Parallel Computing。
进程间通信和线程间通信的区别
Pthreads 概述
什么是线程?
∙技术上，线程可以定义为：可以被操作系统调度的独立的指令流。但是这是什么意思呢？
∙对于软件开发者，在主程序中运行的“函数过程”可以很好的描述线程的概念。
∙进一步，想象下主程序（a.out）包含了许多函数，操作系统可以调度这些函数，使之同时或者（和）独立的执行。这就描述了“多线程”程序。
∙怎样完成的呢？
∙在理解线程之前，应先对UNIX进程（process）有所了解。进程被操作系统创建，需要相当多的“额外开销”。进程包含了程序的资源和执行状态信息。如下：
o进程ID，进程group ID，用户ID和group ID
o环境
o工作目录
o程序指令
o寄存器
o栈
o堆
o文件描述符
o信号动作（Signal actions）
o共享库
o进程间通信工具（如：消息队列，管道，信号量或共享内存）
UNIX PROCESS
THREADS WITHIN A UNIX PROCESS
∙线程使用并存在于进程资源中，还可以被操作系统调用并独立地运行，这主要是因为线程仅仅复制必要的资源以使自己得以存在并执行。
∙独立的控制流得以实现是因为线程维持着自己的：
o堆栈指针
o寄存器
o调度属性（如：策略或优先级）
o待定的和阻塞的信号集合（Set of pending and blocked signals）
o线程专用数据（TSD：Thread Specific Data.）
∙因此，在UNIX环境下线程：
o存在于进程，使用进程资源
o拥有自己独立的控制流，只要父进程存在并且操作系统支持
o只复制必可以使得独立调度的必要资源
o可以和其他线程独立（或非独立的）地共享进程资源
o当父进程结束时结束，或者相关类似的
o是“轻型的”，因为大部分额外开销已经在进程创建时完成了
∙因为在同一个进程中的线程共享资源：
o一个线程对系统资源（如关闭一个文件）的改变对所有其它线程是可以见的
o两个同样值的指针指向相同的数据
o读写同一个内存位置是可能的，因此需要成员显式地使用同步
Pthreads 概述
什么是 Pthreads?
∙历史上，硬件销售商实现了私有版本的多线程库。这些实现在本质上各自不同，使得程序员难于开发可移植的应用程序。
∙为了使用线程所提供的强大优点，需要一个标准的程序接口。对于UNIX系统，IEEE POSIX 1003.1c（1995）标准制订了这一标准接口。依赖于该标准的实现就称为POSIX threads 或者Pthreads。现在多数硬件销售商也提供Pthreads，附加于私有的API。
∙Pthreads 被定义为一些C语言类型和函数调用，用pthread.h头（包含）文件和线程库实现。这个库可以是其它库的一部分，如libc。
Pthreads 概述
为什么使用 Pthreads?
∙使用Pthreads的主要动机是提高潜在程序的性能。
∙当与创建和管理进程的花费相比，线程可以使用操作系统较少的开销，管理线程需要较少的系统资源。
例如，下表比较了fork()函数和pthread_create()函数所用的时间。计时反应了50,000个进程/线程的创建，使用时间工具实现，单位是秒，没有优化标志。
备注：不要期待系统和用户时间加起来就是真实时间，因为这些SMP系统有多个CPU同时工作。这些都是近似值。
平台
fork()
pthread_create()
real
user
sys
real
user
sys
AMD 2.4 GHz Opteron (8cpus/node)
41.07
60.08
9.01
0.66
0.19
0.43
IBM 1.9 GHz POWER5 p5-575 (8cpus/node)
64.24
30.78
27.68
1.75
0.69
1.10
IBM 1.5 GHz POWER4 (8cpus/node)
104.05
48.64
47.21
2.01
1.00
1.52
INTEL 2.4 GHz Xeon (2 cpus/node)
54.95
1.54
20.78
1.64
0.67
0.90
INTEL 1.4 GHz Itanium2 (4 cpus/node)
54.54
1.07
22.22
2.03
1.26
0.67
fork_
∙在同一个进程中的所有线程共享同样的地址空间。较于进程间的通信，在许多情况下线程间的通信效率比较高，且易于使用。
∙较于没有使用线程的程序，使用线程的应用程序有潜在的性能增益和实际的优点：
oCPU使用I/O交叠工作：例如，一个程序可能有一个需要较长时间的I/O操作，当一个线程等待I/O系统调用完成时，CPU可以被其它线程使用。
o优先/实时调度：比较重要的任务可以被调度，替换或者中断较低优先级的任务。
o异步事件处理：频率和持续时间不确定的任务可以交错。例如，web服务器可以同时为前一个请求传输数据和管理新请求。

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