操作系统系列：关于Posix线程的系统调用

1 Posix线程系统调用

Posix 标准定义了许多线程系统调用。

1.1 pthread_create

在同一进程中创建新线程的 posix 函数具有以下相当丑陋的函数原型：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread,  const  pthread_attr_t
*attr, void *(*start_routine, void*),void *arg);

该系统调用有四个参数，第一个 *thread 是指向线程 ID 号的指针（pthread_t 类型是 int），调用程序后续需要该值来进行线程同步。
数据类型 pthread_attr_t 允许调用程序设置线程的一些属性，例如堆栈的大小，默认设置为NULL即可。
第三个参数 start_routine 是新创建的线程将启动的函数的名称。 该函数必须具有以下原型：void *start_routine(void *arg) ，（start_routine 替换为实际使用的函数名称），该函数要使用一个参数，最后一个参数就是指向该参数的指针。
通常情况下，如果 pthread_create 调用成功创建新线程，则返回零；如果失败，则返回负值；如果失败，外部全局变量 errno 将被设置为指示失败原因的值。
所有线程都同时开始运行，所以无法保证哪个线程将首先运行，在竞争条件下，两个或多个事件几乎同时发生，并且不能保证一个事件会在另一个事件之前发生，事件的顺序是不确定的。
有一种可能性是主调用线程可以在所有线程终止之前终止。 由于所有线程都在同一个进程空间中运行，因此当主线程终止时，整个进程就会死亡。 而且，任何线程如果调用exit()，整个进程都会立即终止，这意味着某些线程可能在完成其工作之前就终止了。

1.2 pthread_exit

还有另外两个 posix 线程系统调用可以帮助解决这个问题。 要终止单个线程而不终止整个进程，请使用系统调用

void pthread_exit(void *value_ptr);

参数是指向返回值的指针，可以将其设置为 NULL。

1.3 pthread_join

调用线程可以等待特定线程随着调用而终止：

int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr); 

第一个参数是进程正在等待的线程 ID；
第二个参数是指向线程传回的参数的指针，可以将其设置为 NULL。
该函数将阻塞，直到线程终止。 请注意该函数与 wait 函数在功能上的相似之处，后者等待子进程死亡。

1.4 示例1

这是一些非常简单的线程代码：

/* Alert: link to the pthreads library by appending
   -lpthread to the compile statement */
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> /* for sleep */
#include <stdlib.h> /* for malloc */

#define NUM_THREADS 5

void *sleeping(void *);   /* thread routine */
pthread_t tid[NUM_THREADS];      /* array of thread IDs */

int main()
{
  int *sleeptime, i, retval;
  for ( i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
     sleeptime = (int *)malloc(sizeof(int));
     *sleeptime = (i+1)*2;
     retval =pthread_create(&tid[i], NULL, sleeping, 
             (void *)sleeptime);
     if (retval != 0) {
         perror("Error, could not create thread");
     }
  }
  for ( i = 0; i < NUM_THREADS; i++)
      pthread_join(tid[i], NULL);
  printf("main() reporting that all %d threads have terminated\n", i);
  return (0);
}  /* main */

void *sleeping(void *arg)
{
    int sleep_time = *(int *)arg;
    printf("thread %d sleeping %d seconds ...\n", 
           pthread_self(), sleep_time);
    sleep(sleep_time);
    printf("\nthread %d awakening\n", pthread_self());
    return (NULL);
}

将参数传递给线程例程需要特别注意，参数是一个指针。
重要的是，通常每个线程的参数指向不同的内存，这就是为什么调用线程的循环每次都使用 malloc 分配新内存。
另外，请确保调用函数在创建线程后不会更改 arg 指向的内存值。 因为调用函数和新创建的线程之间存在竞争条件，所以我们不知道线程还是调用函数会先运行。

如果您以明显（但错误）的方式编写循环，如下所示：

  for (i=0;i<5;i++) {
    retval = pthread_create(&threadIds[i], NULL,
             ThreadRoutine, &i);
    ...

这段程序也会运行，而不会出现错误，但所有五个线程的参数可能都是相同的，而不是每个线程都不同，因为您每次传递相同的地址。

使用 pthread_exit() 从将死的线程返回一个值会考验开发者的指针技巧，该函数的参数是一个 void 指针，void 指针可以指向任何数据类型。
函数 pthread_join 的第二个参数是一个指向 void 的指针，它也可以指向任何特定的数据类型（大概与 pthread_exit() 的参数类型相同。当对 pthread_join 的调用返回时，第二个参数将指向 为该线程的 pthread_exit 返回的参数。

1.5 示例2

这是一个制作文件的副本简短的程序。

• 要复制的文件的名称作为参数传递给 main（最多 10 个），为每个文件创建一个单独的线程；
• 复制文件的名称是通过在文件名前添加字符串 Copy_Of_ 来形成的（例如，如果文件名是 myfile，则副本将称为 Copy_Of_myfile）；
• 该线程返回复制的字节数，然后主线程显示所有文件中复制的字节总数。

/* A program that copies files in parallel
   using pthreads */
/* Alert: link to the pthreads library by appending
   -lpthread to the compile statement */
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

/* pthread_t copy_tid;*/

extern int errno;
#define BUFSIZE   256

void *copy_file(void *arg)
{
    int infile, outfile;
    int bytes_read = 0;
    int bytes_written = 0;
    char buffer[BUFSIZE];
    char outfilename[128];
    int *ret;

    ret = (int *)malloc(sizeof(int));
    *ret = 0;
    infile = open(arg,O_RDONLY);
    if (infile < 0)  {
        fprintf(stderr,"Error opening file %s: ", 
             (char *)arg);
        fprintf(stderr,"%s\n",strerror(errno));
        pthread_exit(ret);
    }
    strcpy(outfilename,"Copy_Of_");
    strcat(outfilename,arg); 
    outfile = open(outfilename,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 
             S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH);
    if (outfile < 0) {
        fprintf(stderr,"Error opening file %s",outfilename);
        fprintf(stderr,"%s\n",strerror(errno));
        pthread_exit(ret);
    }
    while (1) {
         bytes_read = read(infile, buffer, BUFSIZE);
         if (bytes_read == 0) 
            break;
	  else if (bytes_read < 0) {
		  perror("reading");
                  pthread_exit(ret);
	  }
	  bytes_written = write(outfile, buffer, bytes_read);
          if (bytes_written != bytes_read) {
	         perror("writing");
                 pthread_exit(ret);
	  }
          *ret += bytes_written;
    }
    close(infile);
    close(outfile);
    pthread_exit(ret);
    return ret; /* we never get here, but the compiler
                      likes to see this line */
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid[10]; /* max of 10 possible threads */

    int total_bytes_copied = 0;
    int *bytes_copied_p;
    int i;
    int ret;

    for (i=1;i < argc;i++) {
      ret = pthread_create(&tid[i], NULL, copy_file, 
               (void *)argv[i]);
      if (ret != 0) {
           fprintf(stderr,"Could not create thread %d: %s\n",
            i, strerror(errno)); 
           fprintf(stderr,"ret is %d\n",ret);
      }
    }
    /* wait for copies to complete */

    for (i=1;i < argc;i++) {
      ret = pthread_join(tid[i],(void **)&(bytes_copied_p));
      if (ret != 0) {
         fprintf(stderr,"No thread %d to join: %s\n",
                 i, strerror(errno));
      }
      else {
         printf("Thread %d copied %d bytes from %s\n",
               i, *bytes_copied_p, argv[i]);
         total_bytes_copied += *bytes_copied_p;
      }
    }
    printf("Total bytes copied = %d\n",total_bytes_copied);
    return 0;
}

请特别注意 pthread_exit 将值（本例为整数）传递回主线程的方式； 并注意主线程如何使用 pthread_join 的第二个参数来访问该值。
您可能会发现这个语法 (void ** )&(bytes_copied_p) 有点怪，变量 bytes_copied_p 是一个指向整数的指针。 通过在其前面加上一个 amersand (&)，我们将其地址传递给该函数。 这将允许函数更改它所指向的内容，这是一件好事，因为当您调用该函数时，它并不指向任何地方。 该函数更改其值，使其指向 thread_exit 的参数。 (void **) 将此值转换为指向指针的指针，符合编译器要求。

1.6 示例3

使用线程的程序的典型设计是有一个主线程，该主线程创建一定数量的子线程，然后等待它们终止，上面的两个例子都采用了这种设计。 但实际上，任何线程都可以创建新线程，并且父线程不必等待子线程终止。

如果一个线程想要返回多个值，您可以创建一个包含所有返回值的结构，并返回一个指向该结构实例的指针。 请看这段代码：

/* On some systems you will need to link to the pthread library by
   appending -l pthread to the compile line */

#include 
#include 
#include 

struct thedata {
  int x;
  char s[32];
};
 
void *threadroutine(void *arg)
{
  struct thedata *t = (struct thedata *)malloc(sizeof(struct thedata));
  t->x = 17;
  strcpy(t->s,"Hello world!");
  pthread_exit(t);
}

int main()
{
  struct thedata *q;
  pthread_t n;
  int retval;

  retval = pthread_create(&n,NULL,threadroutine,NULL);
  if (retval < 0) {
    printf("error, could not create thread\n");
    exit(0);
  }
  /***************************************************
       write code here to get the return value from the
       thread and display the results.  Make sure that
       your code does routine error checking
   *****************************************************/
}