線程的屬性和 線程特定數據 Thread-specific Data
一、posix 線程屬性
POSIX 線程庫定義了線程屬性對象 pthread_attr_t ,它封裝了線程的創建者可以訪問和修改的線程屬性。主要包括如下屬性:
1. 作用域(scope)
2. 棧尺寸(stack size)
3. 棧地址(stack address)
4. 優先級(priority)
5. 分離的狀態(detached state)
6. 調度策略和參數(scheduling policy and parameters)
線程屬性對象可以與一個線程或多個線程相關聯。當使用線程屬性對象時,它是對線程和線程組行為的配置。使用屬性對象的所有線程都將具有由屬性對象所定義的所有屬 性。雖然它們共享屬性對象,但它們維護各自獨立的線程 ID 和寄存器。
線程可以在兩種競爭域內競爭資源:
1. 進程域(process scope):與同一進程內的其他線程
2. 系統域(system scope):與系統中的所有線程
作用域屬性描述特定線程將與哪些線程競爭資源。一個具有系統域的線程將與整個系 統中所有具有系統域的線程按照優先級競爭處理器資源,進行調度。
分離線程是指不需要和進程中其他線程同步的線程。也就是說,沒有線程會等待分離 線程退出系統。因此,一旦該線程退出,它的資源(如線程 ID)可以立即被重用。
線程的布局嵌入在進程的布局中。進程有代碼段、數據段和棧段,而線程與進程中的 其他線程共享代碼段和數據段,每個線程都有自己的棧段,這個棧段在進程地址空間的棧 段中進行分配。線程棧的尺寸在線程創建時設置。如果在創建時沒有設置,那麼系統將會 指定一個默認值,缺省值的大小依賴於具體的系統。
POSIX 線程屬性對象中可設置的線程屬性及其含義參見下表:
函數 屬性 含義 int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t* attr ,int detachstate)
detachstate detachstate 屬性控制一個線程是否是可分離的
int pthread_attr_setguardsize(pthread_attr_t* attr ,size_t guardsize)
guardsize guardsize 屬性設置新創建線程棧的溢出保護區大小
int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t* attr, int inheritsched)
inheritsched inheritsched 決定怎樣設置新創建線程的調度屬性
int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t* attr ,
const struct sched_param* restrict param)
param param 用來設置新創建線程的優先級 int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t* attr, int policy)
policy Policy 用來設置先創建線程的調度策略
int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t* attr ,
int contentionscope)
contentionscope contentionscope 用於設置新創建線程的作用域
int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t* attr, void* stackader, size_t stacksize)
stackaderstacksize
兩者共同決定了線程棧的基地址以及堆棧的最小尺寸(以字節為 單位)
int pthread_attr_setstackaddr(pthread _attr_t* attr, void*stackader) stackader stackader 決定了新創建線程的棧的基地址int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t* attr, size_t stacksize)
stacksize決定了新創建線程的棧的最小尺寸
進程的調度策略和優先級屬於主線程,換句話說就是設置進程的調度策略和優先級只 會影響主線程的調度策略和優先級,而不會改變對等線程的調度策略和優先級(注這句話不完全正確)。每個對等線程可以擁有它自己的獨立於主線程的調度策略和優先級。
在 Linux 系統中,進程有三種調度策略:SCHED_FIFO、SCHED_RR 和 SCHED_OTHER,線程也不例外,也具有這三種策略。
在 pthread 庫中,提供了一個函數,用來設置被創建的線程的調度屬性:是從創建者線 程繼承調度屬性(調度策略和優先級),還是從屬性對象設置調度屬性。該函數就是:
int pthread_attr_setinheritsched (pthread_attr_t * attr, int inherit) 其中,inherit 的值為下列值中的其一:
enum
{
PTHREAD_INHERIT_SCHED, //線程調度屬性從創建者線程繼承
PTHREAD_EXPLICIT_SCHED //線程調度屬性設置為 attr 設置的屬性
};
如果在創建新的線程時,調用該函數將參數設置為 PTHREAD_INHERIT_SCHED 時,那麼當修改進程的優先級時,該進程中繼承這個優先級並且還沒有改變其優先級的所 有線程也將會跟著改變優先級(也就是剛才那句話部正確的原因)。
下面寫個程序測試一下:
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0) int main(void) { pthread_attr_t attr; pthread_attr_init(&attr); int state; pthread_attr_getdetachstate(&attr, &state); if (state == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) printf("detachstate:PTHREAD_CREATE_JOINABLE\n"); else if (state == PTHREAD_CREATE_DETACHED) printf("detachstate:PTHREAD_CREATE_DETACHED"); size_t size; pthread_attr_getstacksize(&attr, &size); printf("stacksize:%d\n", size); pthread_attr_getguardsize(&attr, &size); printf("guardsize:%d\n", size); int scope; pthread_attr_getscope(&attr, &scope); if (scope == PTHREAD_SCOPE_PROCESS) printf("scope:PTHREAD_SCOPE_PROCESS\n"); if (scope == PTHREAD_SCOPE_SYSTEM) printf("scope:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM\n"); int policy; pthread_attr_getschedpolicy(&attr, &policy); if (policy == SCHED_FIFO) printf("policy:SCHED_FIFO\n"); else if (policy == SCHED_RR) printf("policy:SCHED_RR\n"); else if (policy == SCHED_OTHER) printf("policy:SCHED_OTHER\n"); int inheritsched; pthread_attr_getinheritsched(&attr, &inheritsched); if (inheritsched == PTHREAD_INHERIT_SCHED) printf("inheritsched:PTHREAD_INHERIT_SCHED\n"); else if (inheritsched == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) printf("inheritsched:PTHREAD_EXPLICIT_SCHED\n"); struct sched_param param; pthread_attr_getschedparam(&attr, ¶m); printf("sched_priority:%d\n", param.sched_priority); pthread_attr_destroy(&attr); return 0; }
在調用各個函數設置線程屬性對象的屬性時需要先調用pthread_attr_init 初始化這個對象,最後調用pthread_attr_destroy 銷毀這個對象。
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/pthread$ ./pthread_attr
detachstate:PTHREAD_CREATE_JOINABLE
stacksize:8388608
guardsize:4096
scope:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM
policy:SCHED_OTHER
inheritsched:PTHREAD_INHERIT_SCHED
sched_priority:0
二、線程特定數據 Thread-specific Data
在單線程程序中,我們經常要用到"全局變量"以實現多個函數間共享數據。
在多線程環境下,由於數據空間是共享的,因此全局變量也為所有線程所共有。
但有時應用程序設計中有必要提供線程私有的全局變量,僅在某個線程中有效,但卻可以跨多個函數訪問。
POSIX線程庫通過維護一定的數據結構來解決這個問題,這個些數據稱為(Thread-specific Data,或 TSD)。
相關函數如下:
int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destructor)(void*));
int pthread_key_delete(pthread_key_t key);
void *pthread_getspecific(pthread_key_t key);
int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value);
int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;
當調用pthread_key_create 後會產生一個所有線程都可見的線程特定數據(TSD)的pthread_key_t 值,調用pthread_setspecific 後會將每個線程的特定數據與pthread_key_t 綁定起來,雖然只有一個pthread_key_t,但每個線程的特定數據是獨立的內存空間,當線程退出時會執行destructor 函數。
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0) typedef struct tsd { pthread_t tid; char *str; } tsd_t; pthread_key_t key_tsd; pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT; void destroy_routine(void *value) { printf("destory ...\n"); free(value); } void once_routine(void) { pthread_key_create(&key_tsd, destroy_routine); printf("key init ...\n"); } void *thread_routine(void *arg) { pthread_once(&once_control, once_routine); tsd_t *value = (tsd_t *)malloc(sizeof(tsd_t)); value->tid = pthread_self(); value->str = (char *)arg; pthread_setspecific(key_tsd, value); printf("%s setspecific ptr=%p\n", (char *)arg, value); value = pthread_getspecific(key_tsd); printf("tid=0x%x str=%s ptr=%p\n", (int)value->tid, value->str, value); sleep(2); value = pthread_getspecific(key_tsd); printf("tid=0x%x str=%s ptr=%p\n", (int)value->tid, value->str, value); return NULL; } int main(void) { //pthread_key_create(&key_tsd, destroy_routine); pthread_t tid1; pthread_t tid2; pthread_create(&tid1, NULL, thread_routine, "thread1"); pthread_create(&tid2, NULL, thread_routine, "thread2"); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); pthread_key_delete(key_tsd); return 0; }
主線程創建了兩個線程然後join 等待他們退出;給每個線程的執行函數都是thread_routine,thread_routine 中調用了pthread_once,此函數表示如果當第一個線程調用它時會執行once_routine,然後從once_routine返回即pthread_once 返回,而接下去的其他線程調用它時將不再執行once_routine,此舉是為了只調用pthread_key_create 一次,即產生一個pthread_key_t 值。
在thread_routine 函數中自定義了線程特定數據的類型,對於不同的線程來說TSD的內容不同,假設線程1在第一次打印完進入睡眠的時候,線程2也開始執行並調用pthread_setspecific 綁定線程2的TSD 和key_t,此時線程1調用pthread_getspecific 返回key_t 綁定的TSD指針,仍然是線程1的TSD指針,即雖然key_t 只有一個,但每個線程都有自己的TSD。
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/pthread$ ./pthread_tsd
key init ...
thread2 setspecific ptr=0xb6400468
tid=0xb6d90b40 str=thread2 ptr=0xb6400468
thread1 setspecific ptr=0xb6200468
tid=0xb7591b40 str=thread1 ptr=0xb6200468
tid=0xb7591b40 str=thread1 ptr=0xb6200468
destory ...
tid=0xb6d90b40 str=thread2 ptr=0xb6400468
destory ...
其中tid 是線程的id,str 是傳遞給thread_routine 的參數,可以看到有兩個不同的ptr。