线程管理
int thrd_create(thrd_t *thr, thrd_start_t func, void *arg);
thrd_create
创建一个新线程,该线程的工作就是执行func(arg)
调用,程序员需要为线程编写一个函数,函数签名为:thrd_start_t
,即int (*)(void*)
类型的函数。新创建的线程的标识符存放在thr
内。
thrd_t thrd_current(void);
thrd_current
函数返回调用线程的标识符。
int thrd_detach(thrd_t thr);
thrd_detach
会通知操作系统,当该线程结束时由操作系统负责回收该线程所占用的资源。
int thrd_equal(thrd_t thr0, thrd_t thr1);
thrd_equal
用于判断两个线程标识符是否相等(即标识同一线程),thrd_t
是标准约定的类型,可能是一个基础类型,也可能会是结构体,开发人员应该使用thrd_equal
来判断两者是否相等,不能直接使用==
。即便==
在某个平台下表现出来是正确的,但它不是标准的做法,也不可跨平台。
void thrd_exit(int res)
thrd_exit
函数提早结束当前线程,res
为它的退出状态码。这与进程中的exit
函数类似。
int thrd_join(thrd_t thr, int *res)
thrd_join
将阻塞当前线程,直到线程thr
结束时才返回。如果res
非空,那么res
将保存thr
线程的结束状态码。如果某一线程内没有调用thrd_detach
函数将自己设置为detach
状态,那么当它结束时必须由另外一个线程调用thrd_join
函数将它留下的僵死状态变为结束,并回收它所占用的系统资源。
void thrd_sleep(const xtime *xt)
thrd_sleep
函数让当前线程中途休眠,直到由xt
指定的时间过去后才醒过来。
void thrd_yield(void)
thrd_yield
函数让出CPU给其它线程或进程。
互斥对象和函数
threads.h中提供了丰富的互斥对象,用户只需在mtx_init
初始化时,指定该互斥对象的类型即可。
int mtx_int(mtx_t *mtx, int type);
mtx_init
函数用于初始化互斥对象,type
决定互斥对象的类型,一共有下面6种类型:
- mtx_plain –简单的,非递归互斥对象
- mtx_timed –非递归的,支持超时的互斥对象
- mtx_try –非递归的,支持锁检测的互斥对象
- mtx_plain | mtx_recursive –简单的,递归互斥对象
- mtx_timed | mtx_recursive –支持超时的递归互斥对象
- mtx_try | mtx_recursive –支持锁检测的递归互斥对象
int mtx_lock(mtx_t *mtx) int mtx_timedlock(mtx_t *mtx, const xtime *xt) int mtx_trylock(mtx_t *mtx)
mtx_xxxlock
函数对mtx
互斥对象进行加锁 , 它们会阻塞,直到获取锁,或者xt
指定的时间已过去。而trylock
版本会进行锁检测,如果该锁已被其它线程占用,那么它马上返回thrd_busy
。
int mtx_unlock(mtx_t *mtx)
mtx_unlock
对互斥对象mtx
进行解锁。
条件变量
threads.h通过mtx
对象和条件变量来实现wait-notify
机制。
int cnd_init(cnd_t *cond)
初始化条件变量,所有条件变量必须初始化后才能使用。
int cnd_wait(cnd_t *cond, mtx_t *mtx) int cnd_timedwait(cnd_t *cond, mtx_t *mtx, const xtime *xt)
cnd_wait
函数自动对mtx
互斥对象进行解锁操作,然后阻塞,直到条件变量cond
被cnd_signal
或cnd_broadcast
调用唤醒,当前线程变为非阻塞时,它将在返回之前锁住mtx
互斥对象。cnd_timedwait
函数与cnd_wait
类似,例外之处是当前线程在xt
时间点上还未能被唤醒时,它将返回,此时返回值为thrd_timeout
。cnd_wait
和cnd_timedwait
函数在被调用前,当前线程必须锁住mtx
互斥对象。
int cnd_signal(cnd_t *cond) int cnd_broadcast(cnd_t *cond)
cnd_broadcast
唤醒那些当前已经阻塞在cond
条件变量上的所有线程,而cnd_signal
只唤醒其中之一。
void cnd_destroy(cnd_t *cond)
销毁条件变量。
初始化函数
试想一下,如何在一个多线程同时执行的环境下来初始化一个变量,即著名的延迟初始化单例模式。你可能会使用DCL
技术。但在C11中,你可以直接使用call_once
函来实现。
void call_once(once_flag *flag, void (*func)(void))
call_once
函数使用flag
来保确func
只被调用一次。第一个线程使用flag
去调用call_once
时,函数func
会被调用,而接下来的使用相同flag
来调用的call_once
,func
均不会再次被调用,以保正func
在多线程环境只被调用一次。
线程专有数据(TSD
) 和线程局部数据 (TLS
)
在多线程开发中,并不是所有的同步都需要加锁的,有时巧妙的数据分解也可减少锁的碰撞。每个线程都拥有自己私有数据,使用它可以减少线程间共享数据之间的同步开销。
如果要将一些遗留代码进行线程化,很多函数都使用了全局变量,而在多线程环下,最好的方法可能是将这些全局量变量换成线程私有的全局变量即可。
TSD
和TLS
就是专门用来处理线程私有数据的。 它的生存周期是整个线程的生存周期,但它在每个线程都有一份拷贝,每个线程只能read-write-update
属于自己的那份。如果通过指针方式来read-write-update
其它线程的备份,它的行为是未定义的。
TSD
可认为线程私有内存下的void *
组数,每个数据项的key
对应于数组的下标,用于索引功能。当一个新线程创建时,线程的TSD
区域将所有key
关联的值设置为NULL
。TSD
是通过函数的方式来操作的。C11
中TSD
提供的标准函数如下:
int tss_create(tss_t *key, tss_dtor_t dtor) void tss_delete(tss_t key) void *tss_get(tss_t key) int tss_set(tss_t key, void *val)
tss_create
函数创建一个key
,dtor
为该key
将要关联value
的析构函数。当线程退出时,会调用dtor
函数来释放该key
关联的value
所占用的资源,当然,如果退出时value
值为NULL
,dtor
将不被调用。tss_delete
函数删除一个key
,tss_get
/tss_set
分别获得或设置该key
所关联的value
。
通过上述TSD
来操作线程私有变量的方式,显得相对繁琐; C11提供了TLS
方法,可以像一般变量的方式去访问线程私有变量。做法很简单,在声明和定义线程私变量时指定_Thread_local
存储修饰符即可,关于_Thread_local
,C11 有如下的描述:
- 在声明式中,
_Thread_local
只能单独使用,或者跟static
或extern
一起使用。 - 在某一区快中声明某一对象,如果声明存储修饰符有
_Thread_local
,那么必须同时有static
或extern
。 - 如果
_Thread_local
出现在一对象的某个声明式中,那么此对象的其余各处声明式都应该有_Thread_local
存储修饰符。 - 如果某一对象的声明式中出现
_Thread_local
存储修饰符,那么它有线程储存期。该对象的生命周期为线程的整个执行周期,它在线程出生时创建,并在线程启动时初始化。每个线程均有一份该对象,使用声明时的名字即可引用正在执行当前表达式的线程所关联的那个对象。
TLS
方式与传统的全局变量或static
变量的使用方式完全一致,不同的是,TLS
变量在不同的线程上均有各自的一份。线程访问TLS
时不会产生data race
,因为不需要任何加锁机制。TLS
方式需要编译器的支持,对于任何_Thread_local
变量,编译器要将之编译并生成放到各个线程的private memory
区域,并且访问这些变量时,都要获得当前线程的信息,从而访问正确的物理对象,当然这一切都是在链接过程早已安排好的。