技术系列之 线程（二）

作者：CppExplore 网址：http://www.cppblog.com/CppExplore/
为了后面写的《网络模型（二）》，多写一篇关于线程的。线程使用涉及的主要数据结构以及应用框架可以参考http://www.cppblog.com/CppExplore/archive/2008/01/15/41175.html。本文的主要目的是给出linux下实用的线程消息队列实现。
一、linux上线程相关的操作有下面几种：
（1）pthread_t类型的创建、属性创建设置等。
这类具体可以:man pthread_creat; man pthread_attr_init;man pthread_detach;man pthread_join;等查看
（2）pthread_mutex_t类型的操作。
这类具体可以: man pthread_mutex_init可以看到所有相关的操作。
（3）pthread_cond_t类型的操作。同样：man pthread_cond_init。pthread_cond_t的wait和signal操作一定要和pthread_mutex_t的lock、unlock配合使用。类似于此：


pthread_mutex_t mux=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;




//wait操作：


pthread_mutex_lock(&mux);


pthread_cond_wait(&cond,&mux);//睡眠前将内部会执行pthread_mutex_unlock，醒来时内部会执行pthread_mutex_lock


pthread_mutex_unlock(&mux);




//signal操作


pthread_mutex_lock(&mux);


pthread_cond_signal(&cond);


pthread_mutex_unlock(&mux);



（4）sem_t类型的操作。同样:man sem_init 这个系列一般是用不到的，太重量级了，也是最强大的一种。

二、linux2.6内核的线程库。2.6内核的默认安装的是redhat公司的NPTL（原生posix线程库），以前内核安装的是LinuxThreads库，两者的简单介绍可以看http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-threading.html。不过对于应用者，分析两者的区别和优劣也没什么大意义。这里特别提下NPTL的futex机制。借助该机制，pthread_mutex的性能大大提高，只要不进入竞争态，进程就不会陷入内核态，则意味着可以放心使用pthread_mutex，只要不进入竞争态，就象int i;i++之类的语句一样高效。这点可以自己写示例程序，通过strace -c 跟踪进程的系统调用得以证实，另外还可以证实总是进入内核态的操作有pthread_cond_signal和sem_post。

三、实用的线程消息队列实现。下面设计一个具有线程消息队列的线程封装类。通过上面的分析，我们可以有如下结论：
（1）减少pthread_cond_signal和sem_post的调用，只在有必要的时候调用；
（2）尽量避免pthread_mutex进入竞争态。增大消息队列的大小，可以有效减少竞态条件的出现。

下面给出一个实用的线程消息队列的实现类，这个类也将是以后《网络模型》文章中用到的线程消息队列类，代码注释请看对私有属性的注释：


class CThreadQueue






{




public:


CThreadQueue(int queueSize=1024):


sizeQueue(queueSize),lput(0),lget(0),nFullThread(0),nEmptyThread(0),nData(0)






{


pthread_mutex_init(&mux,0);


pthread_cond_init(&condGet,0);


pthread_cond_init(&condPut,0);


buffer=new (void *)[sizeQueue];


}


virtual ~CThreadQueue()






{


delete[] buffer;


}


void * getq()






{


void *data;


pthread_mutex_lock(&mux);


while(lget==lput&&nData==0)//此处循环判断的原因如下：假设2个线程在getq阻塞，然后两者都被激活，而其中一个线程运行比较块，快速消耗了2个数据，另一个线程醒来的时候已经没有新数据可以消耗了。另一点，man pthread_cond_wait可以看到，该函数可以被信号中断返回，此时返回EINTR。为避免以上任何一点，都必须醒来后再次判断睡眠条件。






{


nEmptyThread++;


pthread_cond_wait(&condGet,&mux);


nEmptyThread--;


}




data=buffer[lget++];


nData--;


if(lget==sizeQueue)






{


lget=0;


}


if(nFullThread) //必要时才进行signal操作，勿总是signal






{


pthread_cond_signal(&condPut);


}


pthread_mutex_unlock(&mux);


return data;


}


void putq(void *data)






{


pthread_mutex_lock(&mux);


while(lput==lget&&nData)






{


nFullThread++;


pthread_cond_wait(&condPut,&mux);


nFullThread--;


}


buffer[lput++]=data;


nData++;


if(lput==sizeQueue)






{


lput=0;


}


if(nEmptyThread)






{


pthread_cond_signal(&condGet);


}


pthread_mutex_unlock(&mux);


}


private:


pthread_mutex_t mux;


pthread_cond_t condGet;


pthread_cond_t condPut;




void * * buffer; //循环消息队列


int sizeQueue; //队列大小


int lput; //location put 放数据的指针偏移


int lget; //location get 取数据的指针偏移


int nFullThread; //队列满，阻塞在putq处的线程数


int nEmptyThread; //队列空，阻塞在getq处的线程数


int nData; //队列中的消息个数，主要用来判断队列空还是满


};

下面给出这个线程消息队列的一个使用举例：


#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <unistd.h>


#include <stdlib.h>


CThreadQueue queue;//使用的时候给出稍大的CThreadQueue初始化参数，可以减少进入内核态的操作。


void * produce(void * arg)






{


int i=0;


pthread_detach(pthread_self());


while(i++<100)






{


queue.putq((void *)i);


}


}


void *consume(void *arg)






{


int data;


while(1)






{


data=(int)(queue.getq());


printf("data=%d/n",data)


}


}


int main()






{ pthread_t pid;


int i=0;




while(i++<3)


pthread_create(&pid,0,produce,0);


i=0;


while(i++<3)


pthread_create(&pid,0,consume,0);


sleep(300);


}