Blaise Barney, Lawrence Livermore National Laboratory
目录表
- 摘要
- 译者序
- Pthreads 概述
- Pthreads API编译多线程程序
- 线程管理
- 互斥量（Mutex Variables）
- 条件变量（Condition Variable）
- 没有覆盖的主题
- Pthread 库API参考
- 参考资料
| 摘要 |
在多处理器共享内存的架构中（如：对称多处理系统SMP），线程可以用于实现程序的并行性。历史上硬件销售商实现了各种私有版本的多线程库，使得软件开发者不得不关心它的移植性。对于UNIX系统，IEEE POSIX 1003.1标准定义了一个C语言多线程编程接口。依附于该标准的实现被称为POSIX theads 或 Pthreads。
该教程介绍了Pthreads的概念、动机和设计思想。内容包含了Pthreads API主要的三大类函数：线程管理（Thread Managment）、互斥量（Mutex Variables）和条件变量（Condition Variables）。向刚开始学习Pthreads的程序员提供了演示例程。
适于：刚开始学习使用线程实现并行程序设计；对于C并行程序设计有基本了解。不熟悉并行程序设计的可以参考EC3500: Introduction To Parallel Computing。
| Pthreads 概述 |
什么是线程**?**
- 技术上，线程可以定义为：可以被操作系统调度的独立的指令流。但是这是什么意思呢？
- 对于软件开发者，在主程序中运行的“函数过程”可以很好的描述线程的概念。
- 进一步，想象下主程序（a.out）包含了许多函数，操作系统可以调度这些函数，使之同时或者（和）独立的执行。这就描述了“多线程”程序。
- 怎样完成的呢？
- 在理解线程之前，应先对UNIX进程（process）有所了解。进程被操作系统创建，需要相当多的“额外开销”。进程包含了程序的资源和执行状态信息。如下：
- 进程ID，进程group ID，用户ID和group ID
- 环境
- 工作目录
- 程序指令
- 寄存器
- 栈
- 堆
- 文件描述符
- 信号动作（Signal actions）
- 共享库
- 进程间通信工具（如：消息队列，管道，信号量或共享内存）
| Unix Process | Process-thread relationship |
| UNIX PROCESS | THREADS WITHIN A UNIX PROCESS |
- 线程使用并存在于进程资源中，还可以被操作系统调用并独立地运行，这主要是因为线程仅仅复制必要的资源以使自己得以存在并执行。
- 独立的控制流得以实现是因为线程维持着自己的：
- 堆栈指针
- 寄存器
- 调度属性（如：策略或优先级）
- 待定的和阻塞的信号集合（Set of pending and blocked signals）
- 线程专用数据（TSD：Thread Specific Data.）
- 因此，在UNIX环境下线程：
- 存在于进程，使用进程资源
- 拥有自己独立的控制流，只要父进程存在并且操作系统支持
- 只复制必可以使得独立调度的必要资源
- 可以和其他线程独立（或非独立的）地共享进程资源
- 当父进程结束时结束，或者相关类似的
- 是“轻型的”，因为大部分额外开销已经在进程创建时完成了
- 因为在同一个进程中的线程共享资源：
- 一个线程对系统资源（如关闭一个文件）的改变对所有其它线程是可以见的
- 两个同样值的指针指向相同的数据
- 读写同一个内存位置是可能的，因此需要成员显式地使用同步
| Pthreads 概述 |
什么是 Pthreads?
- 历史上，硬件销售商实现了私有版本的多线程库。这些实现在本质上各自不同，使得程序员难于开发可移植的应用程序。
- 为了使用线程所提供的强大优点，需要一个标准的程序接口。对于UNIX系统，IEEE POSIX 1003.1c（1995）标准制订了这一标准接口。依赖于该标准的实现就称为POSIX threads 或者Pthreads。现在多数硬件销售商也提供Pthreads，附加于私有的API。
- Pthreads 被定义为一些C语言类型和函数调用，用pthread.h头（包含）文件和线程库实现。这个库可以是其它库的一部分，如libc。
| Pthreads 概述 |
为什么使用 Pthreads?
- 使用Pthreads的主要动机是提高潜在程序的性能。
- 当与创建和管理进程的花费相比，线程可以使用操作系统较少的开销，管理线程需要较少的系统资源。
例如，下表比较了fork()函数和pthread_create()函数所用的时间。计时反应了50,000个进程/线程的创建，使用时间工具实现，单位是秒，没有优化标志。
备注：不要期待系统和用户时间加起来就是真实时间，因为这些SMP系统有多个CPU同时工作。这些都是近似值。
| 平台 | fork() | pthread_create() | ||||
| real | user | sys | real | user | sys | |
| AMD 2.4 GHz Opteron (8cpus/node) | 41.07 | 60.08 | 9.01 | 0.66 | 0.19 | 0.43 |
| IBM 1.9 GHz POWER5 p5-575 (8cpus/node) | 64.24 | 30.78 | 27.68 | 1.75 | 0.69 | 1.10 |
| IBM 1.5 GHz POWER4 (8cpus/node) | 104.05 | 48.64 | 47.21 | 2.01 | 1.00 | 1.52 |
| INTEL 2.4 GHz Xeon (2 cpus/node) | 54.95 | 1.54 | 20.78 | 1.64 | 0.67 | 0.90 |
| INTEL 1.4 GHz Itanium2 (4 cpus/node) | 54.54 | 1.07 | 22.22 | 2.03 | 1.26 | 0.67 |
- 在同一个进程中的所有线程共享同样的地址空间。较于进程间的通信，在许多情况下线程间的通信效率比较高，且易于使用。
- 较于没有使用线程的程序，使用线程的应用程序有潜在的性能增益和实际的优点：
- CPU使用I/O交叠工作：例如，一个程序可能有一个需要较长时间的I/O操作，当一个线程等待I/O系统调用完成时，CPU可以被其它线程使用。
- 优先/实时调度：比较重要的任务可以被调度，替换或者中断较低优先级的任务。
- 异步事件处理：频率和持续时间不确定的任务可以交错。例如，web服务器可以同时为前一个请求传输数据和管理新请求。
- 考虑在SMP架构上使用Pthreads的主要动机是获的最优的性能。特别的，如果一个程序使用MPI在节点通信，使用Pthreads可以使得节点数据传输得到显著提高。
- 例如：
- MPI库经常用共享内存实现节点任务通信，这至少需要一次内存复制操作（进程到进程）。
- Pthreads没有中间的内存复制，因为线程和一个进程共享同样的地址空间。没有数据传输。变成cache-to-CPU或memory-to-CPU的带宽（最坏情况），速度是相当的快。
- 比较如下：
| Platform | MPI Shared Memory Bandwidth(GB/sec) | Pthreads Worst CaseMemory-to-CPU Bandwidth (GB/sec) |
| AMD 2.4 GHz Opteron | 1.2 | 5.3 |
| IBM 1.9 GHz POWER5 p5-575 | 4.1 | 16 |
| IBM 1.5 GHz POWER4 | 2.1 | 4 |
| Intel 1.4 GHz Xeon | 0.3 | 4.3 |
| Intel 1.4 GHz Itanium 2 | 1.8 | 6.4 |
| Pthreads 概述 |
使用线程设计程序
并行编程**:**
- 在现代多CPU机器上，pthread非常适于并行编程。可以用于并行程序设计的，也可以用于pthread程序设计。
- 并行程序要考虑许多，如下：
- 用什么并行程序设计模型？
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