POSIX 多线程程序设计 ，2024年最新View的这些基础知识你必须要知道

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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()
realusersysrealusersys
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 

fork_vs_thread.txt  

  • 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：
PlatformMPI 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？
    • 问题划分
    • 加载平衡（Load balancing）
    • 通信
    • 数据依赖
    • 同步和竞争条件
    • 内存问题
    • I/O问题
    • 程序复杂度
    • 程序员的努力/花费/时间
    • ...
  • 包含这些主题超出本教程的范围，有兴趣的读者可以快速浏览下“Introduction to Parallel Computing”教程。
  • 大体上，为了使用Pthreads的优点，必须将任务组织程离散的，独立的，可以并发执行的。例如，如果routine1和routine2可以互换，相互交叉和（或者）重叠，他们就可以线程化。

 

  • 拥有下述特性的程序可以使用pthreads： 
    • 工作可以被多个任务同时执行，或者数据可以同时被多个任务操作。
    • 阻塞与潜在的长时间I/O等待。
    • 在某些地方使用很多CPU循环而其他地方没有。
    • 对异步事件必须响应。
    • 一些工作比其他的重要（优先级中断）。
  • Pthreads 也可以用于串行程序，模拟并行执行。很好例子就是经典的web浏览器，对于多数人，运行于单CPU的桌面/膝上机器，许多东西可以同时“显示”出来。
  • 使用线程编程的几种常见模型： 
    • 管理者***/******工作者（Manager/worker）：***一个单线程，作为管理器将工作分配给其它线程（工作者），典型的，管理器处理所有输入和分配工作给其它任务。至少两种形式的manager/worker模型比较常用：静态worker池和动态worker池。
    • ***管道（Pipeline）：***任务可以被划分为一系列子操作，每一个被串行处理，但是不同的线程并发处理。汽车装配线可以很好的描述这个模型。
    • Peer: 和manager/worker模型相似，但是主线程在创建了其它线程后，自己也参与工作。

共享内存模型（Shared Memory Model）****:  

  • 所有线程可以访问全局，共享内存
  • 线程也有自己私有的数据
  • 程序员负责对全局共享数据的同步存取（保护）

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