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通用线程:POSIX 线程详解,第 3 部分

使用条件变量提高效率

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条件变量详解

上一篇文章结束时,我描述了一个比较特殊的难题:如果线程正在等待某个特定条件发生,它应该如何处理这种情况?它可以重复对互斥对象锁定和解锁,每次都会检查共享数据结构,以查找某个值。但这是在浪费时间和资源,而且这种繁忙查询的效率非常低。解决这个问题的最佳方法是使用 pthread_cond_wait() 调用来等待特殊条件发生。

了解 pthread_cond_wait() 的作用非常重要 -- 它是 POSIX 线程信号发送系统的核心,也是最难以理解的部分。

首先,让我们考虑以下情况:线程为查看已链接列表而锁定了互斥对象,然而该列表恰巧是空的。这一特定线程什么也干不了 -- 其设计意图是从列表中除去节点,但是现在却没有节点。因此,它只能:

锁定互斥对象时,线程将调用 pthread_cond_wait(&mycond,&mymutex)。pthread_cond_wait() 调用相当复杂,因此我们每次只执行它的一个操作。

pthread_cond_wait() 所做的第一件事就是同时对互斥对象解锁(于是其它线程可以修改已链接列表),并等待条件 mycond 发生(这样当 pthread_cond_wait() 接收到另一个线程的“信号”时,它将苏醒)。现在互斥对象已被解锁,其它线程可以访问和修改已链接列表,可能还会添加项。

此时,pthread_cond_wait() 调用还未返回。对互斥对象解锁会立即发生,但等待条件 mycond 通常是一个阻塞操作,这意味着线程将睡眠,在它苏醒之前不会消耗 CPU 周期。这正是我们期待发生的情况。线程将一直睡眠,直到特定条件发生,在这期间不会发生任何浪费 CPU 时间的繁忙查询。从线程的角度来看,它只是在等待 pthread_cond_wait() 调用返回。

现在继续说明,假设另一个线程(称作“2 号线程”)锁定了 mymutex 并对已链接列表添加了一项。在对互斥对象解锁之后,2 号线程会立即调用函数 pthread_cond_broadcast(&mycond)。此操作之后,2 号线程将使所有等待 mycond 条件变量的线程立即苏醒。这意味着第一个线程(仍处于 pthread_cond_wait() 调用中)现在将苏醒。

现在,看一下第一个线程发生了什么。您可能会认为在 2 号线程调用 pthread_cond_broadcast(&mymutex) 之后,1 号线程的 pthread_cond_wait() 会立即返回。不是那样!实际上,pthread_cond_wait() 将执行最后一个操作:重新锁定 mymutex。一旦 pthread_cond_wait() 锁定了互斥对象,那么它将返回并允许 1 号线程继续执行。那时,它可以马上检查列表,查看它所感兴趣的更改。

停止并回顾!

那个过程非常复杂,因此让我们先来回顾一下。第一个线程首先调用:

    pthread_mutex_lock(&mymutex);

然后,它检查了列表。没有找到感兴趣的东西,于是它调用:

    pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

然后,pthread_cond_wait() 调用在返回前执行许多操作:

    pthread_mutex_unlock(&mymutex);

它对 mymutex 解锁,然后进入睡眠状态,等待 mycond 以接收 POSIX 线程“信号”。一旦接收到“信号”(加引号是因为我们并不是在讨论传统的 UNIX 信号,而是来自 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 调用的信号),它就会苏醒。但 pthread_cond_wait() 没有立即返回 -- 它还要做一件事:重新锁定 mutex:

    pthread_mutex_lock(&mymutex);

pthread_cond_wait() 知道我们在查找 mymutex “背后”的变化,因此它继续操作,为我们锁定互斥对象,然后才返回。

pthread_cond_wait() 小测验

现在已回顾了 pthread_cond_wait() 调用,您应该了解了它的工作方式。应该能够叙述 pthread_cond_wait() 依次执行的所有操作。尝试一下。如果理解了 pthread_cond_wait(),其余部分就相当容易,因此请重新阅读以上部分,直到记住为止。好,读完之后,能否告诉我在调用 pthread_cond_wait() 之 ,互斥对象必须处于什么状态?pthread_cond_wait() 调用返回之后,互斥对象处于什么状态?这两个问题的答案都是“锁定”。既然已经完全理解了 pthread_cond_wait() 调用,现在来继续研究更简单的东西 -- 初始化和真正的发送信号和广播进程。到那时,我们将会对包含了多线程工作队列的 C 代码了如指掌。

初始化和清除

条件变量是一个需要初始化的真实数据结构。以下就初始化的方法。首先,定义或分配一个条件变量,如下所示:

    pthread_cond_t mycond;

然后,调用以下函数进行初始化:

    pthread_cond_init(&mycond,NULL);

瞧,初始化完成了!在释放或废弃条件变量之前,需要毁坏它,如下所示:

    pthread_cond_destroy(&mycond);

很简单吧。接着讨论 pthread_cond_wait() 调用。

等待

一旦初始化了互斥对象和条件变量,就可以等待某个条件,如下所示:

    pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

请注意,代码在逻辑上应该包含 mycond 和 mymutex。一个特定条件只能有一个互斥对象,而且条件变量应该表示互斥数据“内部”的一种特殊的条件更改。一个互斥对象可以用许多条件变量(例如,cond_empty、cond_full、cond_cleanup),但每个条件变量只能有一个互斥对象。

发送信号和广播

对于发送信号和广播,需要注意一点。如果线程更改某些共享数据,而且它想要唤醒所有正在等待的线程,则应使用 pthread_cond_broadcast 调用,如下所示:

    pthread_cond_broadcast(&mycond);

在某些情况下,活动线程只需要唤醒第一个正在睡眠的线程。假设您只对队列添加了一个工作作业。那么只需要唤醒一个工作程序线程(再唤醒其它线程是不礼貌的!):

    pthread_cond_signal(&mycond);

此函数只唤醒一个线程。如果 POSIX 线程标准允许指定一个整数,可以让您唤醒一定数量的正在睡眠的线程,那就更完美了。但是很可惜,我没有被邀请参加会议。

工作组

我将演示如何创建多线程工作组。在这个方案中,我们创建了许多工作程序线程。每个线程都会检查 wq(“工作队列”),查看是否有需要完成的工作。如果有需要完成的工作,那么线程将从队列中除去一个节点,执行这些特定工作,然后等待新的工作到达。

与此同时,主线程负责创建这些工作程序线程、将工作添加到队列,然后在它退出时收集所有工作程序线程。您将会遇到许多 C 代码,好好准备吧!

队列

需要队列是出于两个原因。首先,需要队列来保存工作作业。还需要可用于跟踪已终止线程的数据结构。还记得前几篇文章(请参阅本文结尾处的 参考资料)中,我曾提到过需要使用带有特定进程标识的 pthread_join 吗?使用“清除队列”(称作 "cq")可以解决无法等待 任何已终止线程的问题(稍后将详细讨论这个问题)。以下是标准队列代码。将此代码保存到文件 queue.h 和 queue.c:

queue.h
/* queue.h
** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc.
** Author: Daniel Robbins
** Date: 16 Jun 2000
*/
typedef struct node {
  struct node *next;
} node;
typedef struct queue {
  node *head, *tail; 
} queue;
void queue_init(queue *myroot);
void queue_put(queue *myroot, node *mynode);
node *queue_get(queue *myroot);
queue.c
/* queue.c
** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc.
** Author: Daniel Robbins
** Date: 16 Jun 2000
**
** This set of queue functions was originally thread-aware.  I
** redesigned the code to make this set of queue routines
** thread-ignorant (just a generic, boring yet very fast set of queue
** routines).  Why the change?  Because it makes more sense to have
** the thread support as an optional add-on.  Consider a situation
** where you want to add 5 nodes to the queue.  With the
** thread-enabled version, each call to queue_put() would
** automatically lock and unlock the queue mutex 5 times -- that's a
** lot of unnecessary overhead.  However, by moving the thread stuff
** out of the queue routines, the caller can lock the mutex once at
** the beginning, then insert 5 items, and then unlock at the end.
** Moving the lock/unlock code out of the queue functions allows for
** optimizations that aren't possible otherwise.  It also makes this
** code useful for non-threaded applications.
**
** We can easily thread-enable this data structure by using the
** data_control type defined in control.c and control.h.  */
#include <stdio.h>
#include "queue.h"
void queue_init(queue *myroot) {
  myroot->head=NULL;
  myroot->tail=NULL;
}
void queue_put(queue *myroot,node *mynode) {
  mynode->next=NULL;
  if (myroot->tail!=NULL)
    myroot->tail->next=mynode;
  myroot->tail=mynode;
  if (myroot->:head==NULL)
    myroot->head=mynode;
}
node *queue_get(queue *myroot) {
  //get from root
  node *mynode;
  mynode=myroot->head;
  if (myroot->head!=NULL)
    myroot->head=myroot->head->next;
  return mynode;
}

data_control 代码

我编写的并不是线程安全的队列例程,事实上我创建了一个“数据包装”或“控制”结构,它可以是任何线程支持的数据结构。看一下 control.h:

control.h
#include 
typedef struct data_control {
  pthread_mutex_t mutex;
  pthread_cond_t cond;
  int active;
} data_control;

现在您看到了 data_control 结构定义,以下是它的视觉表示:

所使用的 data_control 结构
所使用的 data_control 结构

图像中的锁代表互斥对象,它允许对数据结构进行互斥访问。黄色的星代表条件变量,它可以睡眠,直到所讨论的数据结构改变为止。on/off 开关表示整数 "active",它告诉线程此数据是否是活动的。在代码中,我使用整数 active 作为标志,告诉工作队列何时应该关闭。以下是 control.c:

control.c
/* control.c
** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc.
** Author: Daniel Robbins
** Date: 16 Jun 2000
**
** These routines provide an easy way to make any type of
** data-structure thread-aware.  Simply associate a data_control
** structure with the data structure (by creating a new struct, for
** example).  Then, simply lock and unlock the mutex, or
** wait/signal/broadcast on the condition variable in the data_control
** structure as needed.
**
** data_control structs contain an int called "active".  This int is
** intended to be used for a specific kind of multithreaded design,
** where each thread checks the state of "active" every time it locks
** the mutex.  If active is 0, the thread knows that instead of doing
** its normal routine, it should stop itself.  If active is 1, it
** should continue as normal.  So, by setting active to 0, a
** controlling thread can easily inform a thread work crew to shut
** down instead of processing new jobs.  Use the control_activate()
** and control_deactivate() functions, which will also broadcast on
** the data_control struct's condition variable, so that all threads
** stuck in pthread_cond_wait() will wake up, have an opportunity to
** notice the change, and then terminate.
*/
#include "control.h"
int control_init(data_control *mycontrol) {
  int mystatus;
  if (pthread_mutex_init(&(mycontrol->mutex),NULL))
    return 1;
  if (pthread_cond_init(&(mycontrol->cond),NULL))
    return 1;
  mycontrol->active=0;
  return 0;
}
int control_destroy(data_control *mycontrol) {
  int mystatus;
  if (pthread_cond_destroy(&(mycontrol->cond)))
    return 1;
  if (pthread_cond_destroy(&(mycontrol->cond)))
    return 1;
  mycontrol->active=0;
  return 0;
}
int control_activate(data_control *mycontrol) {
  int mystatus;
  if (pthread_mutex_lock(&(mycontrol->mutex)))
    return 0;
  mycontrol->active=1;
  pthread_mutex_unlock(&(mycontrol->mutex));
  pthread_cond_broadcast(&(mycontrol->cond));
  return 1;
}
int control_deactivate(data_control *mycontrol) {
  int mystatus;
  if (pthread_mutex_lock(&(mycontrol->mutex)))
    return 0;
  mycontrol->active=0;
  pthread_mutex_unlock(&(mycontrol->mutex));
  pthread_cond_broadcast(&(mycontrol->cond));
  return 1;
}

调试时间

在开始调试之前,还需要一个文件。以下是 dbug.h:

dbug.h
#define dabort() \
 {  printf("Aborting at line %d in source file %s\n",__LINE__,__FILE__); abort(); }

此代码用于处理工作组代码中的不可纠正错误。

工作组代码

说到工作组代码,以下就是:

workcrew.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "control.h"
#include "queue.h"
#include "dbug.h"
/* the work_queue holds tasks for the various threads to complete. */
struct work_queue {
  data_control control;
  queue work;
} wq;
/* I added a job number to the work node.  Normally, the work node
   would contain additional data that needed to be processed. */
typedef struct work_node {
  struct node *next;
  int jobnum;
} wnode;
/* the cleanup queue holds stopped threads.  Before a thread
   terminates, it adds itself to this list.  Since the main thread is
   waiting for changes in this list, it will then wake up and clean up
   the newly terminated thread. */
struct cleanup_queue {
  data_control control;
  queue cleanup;
} cq;
/* I added a thread number (for debugging/instructional purposes) and
   a thread id to the cleanup node.  The cleanup node gets passed to
   the new thread on startup, and just before the thread stops, it
   attaches the cleanup node to the cleanup queue.  The main thread
   monitors the cleanup queue and is the one that performs the
   necessary cleanup. */
typedef struct cleanup_node {
  struct node *next;
  int threadnum;
  pthread_t tid;
} cnode;
void *threadfunc(void *myarg) {
  wnode *mywork;
  cnode *mynode;
  mynode=(cnode *) myarg;
  pthread_mutex_lock(&wq.control.mutex);
  while (wq.control.active) {
    while (wq.work.head==NULL && wq.control.active) {
      pthread_cond_wait(&wq.control.cond, &wq.control.mutex);
    }
    if (!wq.control.active) 
      break;
    //we got something!
    mywork=(wnode *) queue_get(&wq.work);
    pthread_mutex_unlock(&wq.control.mutex);
    //perform processing...
    printf("Thread number %d processing job %d\n",mynode->threadnum,mywork->jobnum);
    free(mywork);
    pthread_mutex_lock(&wq.control.mutex);
  }
  pthread_mutex_unlock(&wq.control.mutex);
  pthread_mutex_lock(&cq.control.mutex);
  queue_put(&cq.cleanup,(node *) mynode);
  pthread_mutex_unlock(&cq.control.mutex);
  pthread_cond_signal(&cq.control.cond);
  printf("thread %d shutting down...\n",mynode->threadnum);
  return NULL;
  
}
#define NUM_WORKERS 4
int numthreads;
void join_threads(void) {
  cnode *curnode;
  printf("joining threads...\n");
  while (numthreads) {
    pthread_mutex_lock(&cq.control.mutex);
    /* below, we sleep until there really is a new cleanup node.  This
       takes care of any false wakeups... even if we break out of
       pthread_cond_wait(), we don't make any assumptions that the
       condition we were waiting for is true.  */
    while (cq.cleanup.head==NULL) {
      pthread_cond_wait(&cq.control.cond,&cq.control.mutex);
    }
    /* at this point, we hold the mutex and there is an item in the
       list that we need to process.  First, we remove the node from
       the queue.  Then, we call pthread_join() on the tid stored in
       the node.  When pthread_join() returns, we have cleaned up
       after a thread.  Only then do we free() the node, decrement the
       number of additional threads we need to wait for and repeat the
       entire process, if necessary */
      curnode = (cnode *) queue_get(&cq.cleanup);
      pthread_mutex_unlock(&cq.control.mutex);
      pthread_join(curnode->tid,NULL);
      printf("joined with thread %d\n",curnode->threadnum);
      free(curnode);
      numthreads--;
  }
}
int create_threads(void) {
  int x;
  cnode *curnode;
  for (x=0; x<NUM_WORKERS; x++) {
    curnode=malloc(sizeof(cnode));
    if (!curnode)
      return 1;
    curnode->threadnum=x;
    if (pthread_create(&curnode->tid, NULL, threadfunc, (void *) curnode))
      return 1;
    printf("created thread %d\n",x);
    numthreads++;
  }
  return 0;
}
void initialize_structs(void) {
  numthreads=0;
  if (control_init(&wq.control))
    dabort();
  queue_init(&wq.work);
  if (control_init(&cq.control)) {
    control_destroy(&wq.control);
    dabort();
  }
  queue_init(&wq.work);
  control_activate(&wq.control);
}
void cleanup_structs(void) {
  control_destroy(&cq.control);
  control_destroy(&wq.control);
}
int main(void) {
  int x;
  wnode *mywork;
  initialize_structs();
  /* CREATION */
  
  if (create_threads()) {
    printf("Error starting threads... cleaning up.\n");
    join_threads();
    dabort();
  }
  pthread_mutex_lock(&wq.control.mutex);
  for (x=0; x<16000; x++) {
    mywork=malloc(sizeof(wnode));
    if (!mywork) {
      printf("ouch! can't malloc!\n");
      break;
    }
    mywork->jobnum=x;
    queue_put(&wq.work,(node *) mywork);
  }
  pthread_mutex_unlock(&wq.control.mutex);
  pthread_cond_broadcast(&wq.control.cond);
  printf("sleeping...\n");
  sleep(2);
  printf("deactivating work queue...\n");
  control_deactivate(&wq.control);
  /* CLEANUP  */
  join_threads();
  cleanup_structs();
}

代码初排

现在来快速初排代码。定义的第一个结构称作 "wq",它包含了 data_control 和队列头。data_control 结构用于仲裁对整个队列的访问,包括队列中的节点。下一步工作是定义实际的工作节点。要使代码符合本文中的示例,此处所包含的都是作业号。

接着,创建清除队列。注释说明了它的工作方式。好,现在让我们跳过 threadfunc()、join_threads()、create_threads() 和 initialize_structs() 调用,直接跳到 main()。所做的第一件事就是初始化结构 -- 这包括初始化 data_controls 和队列,以及激活工作队列。

有关清除的注意事项

现在初始化线程。如果看一下 create_threads() 调用,似乎一切正常 -- 除了一件事。请注意,我们正在分配清除节点,以及初始化它的线程号和 TID 组件。我们还将清除节点作为初始自变量传递给每一个新的工作程序线程。为什么这样做?

因为当某个工作程序线程退出时,它会将其清除节点连接到清除队列,然后终止。那时,主线程会在清除队列中检测到这个节点(利用条件变量),并将这个节点移出队列。因为 TID(线程标识)存储在清除节点中,所以主线程可以确切知道哪个线程已终止了。然后,主线程将调用 pthread_join(tid),并联接适当的工作程序线程。如果没有做记录,那么主线程就需要按任意顺序联接工作程序线程,可能是按它们的创建顺序。由于线程不一定按此顺序终止,那么主线程可能会在已经联接了十个线程时,等待联接另一个线程。您能理解这种设计决策是如何使关闭代码加速的吗(尤其在使用几百个工作程序线程的情况下)?

创建工作

我们已启动了工作程序线程(它们已经完成了执行 threadfunc(),稍后将讨论此函数),现在主线程开始将工作节点插入工作队列。首先,它锁定 wq 的控制互斥对象,然后分配 16000 个工作包,将它们逐个插入队列。完成之后,将调用 pthread_cond_broadcast(),于是所有正在睡眠的线程会被唤醒,并开始执行工作。此时,主线程将睡眠两秒钟,然后释放工作队列,并通知工作程序线程终止活动。接着,主线程会调用 join_threads() 函数来清除所有工作程序线程。

threadfunc()

现在来讨论 threadfunc(),这是所有工作程序线程都要执行的代码。当工作程序线程启动时,它会立即锁定工作队列互斥对象,获取一个工作节点(如果有的话),然后对它进行处理。如果没有工作,则调用 pthread_cond_wait()。您会注意到这个调用在一个非常紧凑的 while() 循环中,这是非常重要的。当从 pthread_cond_wait() 调用中苏醒时,决不能认为条件肯定发生了 -- 它 可能发生了,也可能没有发生。如果发生了这种情况,即错误地唤醒了线程,而列表是空的,那么 while 循环将再次调用 pthread_cond_wait()。

如果有一个工作节点,那么我们只打印它的作业号,释放它并退出。然而,实际代码会执行一些更实质性的操作。在 while() 循环结尾,我们锁定了互斥对象,以便检查 active 变量,以及在循环顶部检查新的工作节点。如果执行完此代码,就会发现如果 wq.control.active 是 0,while 循环就会终止,并会执行 threadfunc() 结尾处的清除代码。

工作程序线程的清除代码部件非常有趣。首先,由于 pthread_cond_wait() 返回了锁定的互斥对象,它会对 work_queue 解锁。然后,它锁定清除队列,添加清除代码(包含了 TID,主线程将使用此 TID 来调用 pthread_join()),然后再对清除队列解锁。此后,它发信号给所有 cq 等待者 (pthread_cond_signal(&cq.control.cond)),于是主线程就知道有一个待处理的新节点。我们不使用 pthread_cond_broadcast(),因为没有这个必要 -- 只有一个线程(主线程)在等待清除队列中的新节点。当它调用 join_threads() 时,工作程序线程将打印关闭消息,然后终止,等待主线程发出的 pthread_join() 调用。

join_threads()

如果要查看关于如何使用条件变量的简单示例,请参考 join_threads() 函数。如果还有工作程序线程,join_threads() 会一直执行,等待清除队列中新的清除节点。如果有新节点,我们会将此节点移出队列、对清除队列解锁(从而使工作程序可以添加清除节点)、联接新的工作程序线程(使用存储在清除节点中的 TID)、释放清除节点、减少“现有”线程的数量,然后继续。

结束语

现在已经到了“POSIX 线程详解”系列的尾声,希望您已经准备好开始将多线程代码添加到您自己的应用程序中。有关详细信息,请参阅 参考资料部分,这部分内容还包含了本文中使用的所有源码的 tar 文件。下一个系列中再见!


相关主题

  • 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文.
  • 本文中使用的 源码的 tar 文件
  • 友好的 Linux pthread 在线帮助 ("man -k pthread") 是极好的参考资料。
  • 如果要彻底了解 POSIX 线程,我推荐此书: Programming with POSIX Threads,David R. Butenhof (Addison-Wesley, 1997)。据证实,此书是现有最好的讨论 POSIX 线程的书籍。
  • W. Richard Stevens 撰写的 UNIX Network Programming - Networking APIs: Sockets and XTI,(Prentice Hall, 1997) 一书还涵盖了 POSIX 线程。这是一本经典著作,但它讨论线程不如上述的 Programming with POSIX Threads那样详细。
  • 请参考 Daniel 在 developerWorks上发表的 POSIX 线程系列中的前几篇文章:
  • 请参阅 Sean Walton 撰写的有关 Linux 线程的文档,KB7rfa
  • 请学习亚里桑那大学的 Mark Hays 编写的 POSIX 线程 教程
  • 请在 Pthreads-Tcl 介绍中查看对 Tcl 的更改,此更改使 Tcl 能够与 POSIX 线程一起使用。
  • 请访问 LINUX POSIX 和 DCE 线程主页。
  • 请参阅 LinuxThreads 资料库
  • Proolix是一种简单的遵从 POSIX 标准的基于 i8086+ 的操作系统。

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