posix 線程（一）：線程模型、pthread 系列函數 和 簡單多線程服務器端程序

 

一、線程有3種模型，分別是N:1用戶線程模型，1:1核心線程模型和N:M混合線程模型，posix thread屬於1:1模型。

（一）、N:1用戶線程模型

“線程實現”建立在“進程控制”機制之上，由用戶空間的程序庫來管理。OS內核完全不知道線程信息。這些線程稱為用戶空間線程。這些線程都工作在“進

程競爭范圍”（process contention scope）：各個線程在同一進程競爭“被調度的CPU時間”（但不直接和其他進程中的線程競爭）。

在N:1線程模型中，內核不干涉線程的任何生命活動，也不干涉同一進程中的線程環境切換。

在N:1線程模型中，一個進程中的多個線程只能調度到一個CPU，這種約束限制了可用的並行總量。

第二個缺點是如果某個線程執行了一個“阻塞式”操作（如read），那么，進程中的所有線程都會阻塞，直至那個操作結束。為此，一些線程的實現是為

這些阻塞式函數提供包裝器，用非阻塞版本替換這些系統調用，以消除這種限制。

（二）、1:1核心線程模型 pthread線程庫--NPTL(Native POSIX Threading Library)

在1:1核心線程模型中，應用程序創建的每一個線程（也有書稱為LWP）都由一個核心線程直接管理。OS內核將每一個核心線程都調到系統CPU上，

因此，所有線程都工作在“系統競爭范圍”（system contention scope）：線程直接和“系統范圍”內的其他線程競爭。

這種線程的創建與調度由內核完成，因為這種線程的系統開銷比較大（但一般來說，比進程開銷小）

（三）、N:M混合線程模型  NGPT(Next Generation POSIX Threads)

N:M混合線程模型提供了兩級控制，將用戶線程映射為系統的可調度體以實現並行，這個可調度體稱為輕量級進程（LWP:light weight process），LWP

再一一映射到核心線程。如下圖所示。OS內核將每一個核心線程都調到系統CPU上，因此，所有線程都工作在“系統競爭范圍”。

據說一些類UNIX系統(如Solaris)已經實現了比較成熟的M:N線程模型, 其性能比起linux的線程還是有着一定的優勢，但不能利用SMP結構。

按照2003年3月NGPT官方網站上的通知，NGPT考慮到NPTL日益廣泛地為人所接受，為避免不同的線程庫版本引起的混亂，今后將不再進行進一步開發，而今進行支持性的維護工作。也就是說，NGPT已經放棄與NPTL競爭下一代Linux POSIX線程庫標准。

二、posix 線程概述

我們知道，進程在各自獨立的地址空間中運行，進程之間共享數據需要用進程間通信機制，有些情況需要在一個進程中同時執行多個控制流程，這時候

線程就派上了用場，比如實現一個圖形界面的下載軟件，一方面需要和用戶交互，等待和處理用戶的鼠標鍵盤事件，另一方面又需要同時下載多個文

件，等待和處理從多個網絡主機發來的數據，這些任務都需要一個“等待-處理”的循環，可以用多線程實現，一個線程專門負責與用戶交互，另外幾個線

程每個線程負責和一個網絡主機通信。

以前我們講過，main函數和信號處理函數是同一個進程地址空間中的多個控制流程，多線程也是如此，但是比信號處理函數更加靈活，信號處理函數的

控制流程只是在信號遞達時產生，在處理完信號之后就結束，而多線程的控制流程可以長期並存，操作系統會在各線程之間調度和切換，就像在多個進

程之間調度和切換一樣。由於同一進程的多個線程共享同一地址空間，因此Text Segment、Data Segment都是共享的，如果定義一個函數，在各線程

中都可以調用，如果定義一個全局變量，在各線程中都可以訪問到，除此之外，各線程還共享以下進程資源和環境：

文件描述符表

每種信號的處理方式（SIG_IGN、SIG_DFL或者自定義的信號處理函數）

當前工作目錄

用戶id和組id

但有些資源是每個線程各有一份的：

線程id

上下文，包括各種寄存器的值、程序計數器和棧指針

棧空間

errno變量

信號屏蔽字

調度優先級

我們將要學習的線程庫函數是由POSIX標准定義的，稱為POSIX thread或者pthread。在Linux上線程函數位於libpthread共享庫中，因此在編譯時要加上-lpthread選項。

注：linux 2.6 以后的線程就是由用戶態的pthread庫實現的.使用pthread以后, 在用戶看來, 每一個task_struct就對應一個線程, 而一組線程以及它們所共同引用的一組資源就是一個進程.在linux 2.6中, 內核有了線程組的概念, task_struct結構中增加了一個tgid(thread group id)字段. getpid(獲取進程ID)系統調用返回的也是tast_struct中的tgid, 而tast_struct中的pid則由gettid系統調用來返回。

當線程停止/繼續, 或者是收到一個致命信號時, 內核會將處理動作施加到整個線程組中。

比 如程序a.out運行時，創建了一個線程。假設主線程的pid是10001、子線程是10002（它們的tgid都是10001）。這時如果你kill 10002，是可以把10001和10002這兩個線程一起殺死的，盡管執行ps命令的時候根本看不到10002這個進程。如果你不知道linux線程背 后的故事，肯定會覺得遇到靈異事件了。

 

 

參考：

《linux c 編程一站式學習》

《UNP》

《APUE》

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-mthreadps/index.html

http://hi.baidu.com/_kouu/item/282b80a933ccc3a829ce9dd9

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-thread/