pthread 多线程基础-662P.COM

本文主要介绍如何通过 pthread 库进行多线程编程，并通过以下例子进行说明。

基于莱布尼兹级数计算 $π$ .
多线程归并排序

参考文章：

[1] https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads

API 介绍

pthread_create

作用：新建一个线程。

函数原型：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

参数解析：

pthread_t *thread 用于缓存新线程的 pid .
const pthread_attr_t *attr 制定新线程的 attr ，如果为 NULL，那么将使用默认的 attr 。
start_routine 是新线程即将进入的执行函数。
arg 向新线程传递的某些参数，一般封装为结构体传入。

线程的中止可以通过以下方式：

调用 pthread_exit(void *retval) , 其中 retval 可以通过 pthread_join 获得。
在 start_routine 函数直接 return .
该线程被取消 (See pthread_cancel) .
线程所属的进程调用了 exit , 或者该进程的 main 函数中执行了 return .

pthread_join

等待某个线程结束。

函数原型：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

参数解析：

thread 是某个线程的 pid .
retval 用于获取线程 start_routine 的返回值 .

基本用法请看下面的「双线程计算 $π$ 」，该例子同时能够回答为什么 retval 是 void** 类型而不是 void * 类型。

pthread_attr_t

pthread_attr_t 的定义如下：

struct __pthread_attr{
    struct sched_param __schedparam;
    void *__stackaddr;    size_t __stacksize;    
    size_t __guardsize;    
    enum __pthread_detachstate __detachstate;    
    enum __pthread_inheritsched __inheritsched;    
    enum __pthread_contentionscope __contentionscope;    
    int __schedpolicy;
};

与之相关的 API，请看：

man pthread_attr

Examples

创建线程

下面是一个简单的多线程例子，用于演示 pthread_create 和 pthread_join 的基本用法。

该例子创建 4 个线程，通过 order[i] 分别标号，线程的工作内容是输出本线程的标号。

所涵盖的知识点：

如何创建线程
如何向线程传递参数：通过对 void *arg 进行强制类型转换实现。
pthread_join 的作用：如果去掉 pthread_join 调用，那么程序很可能是没有输出的。因为在进入各个线程的 worker 函数时，main 函数已经结束，这时候所有线程都被强制终止。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
const int N = 1e8;
typedef struct { int start, end; } param_t;
typedef struct { double value; } result_t;
void *worker(void *arg)
{
    param_t *param = (param_t *)arg;
    result_t *res = (result_t *)malloc(sizeof(result_t));
    int i = param->start;
    for (; i <= param->end; i++)
    {
        if (i % 2) res->value += 1.0 / (2 * i - 1);
        else res->value -= 1.0 / (2 * i - 1);
    }
    return res;
}

double master(void *arg)
{
    double res = 0.0;
    param_t *param = (param_t *)arg;
    int i = param->start;
    for (; i <= param->end; i++)
    {
        if (i % 2) res += 1.0 / (2 * i - 1);
        else res -= 1.0 / (2 * i - 1);
    }
    return res;
}

int main()
{
    pthread_t tid = 0;
    param_t p1 = {1, N / 2}, p2 = {N / 2 + 1, N};
    pthread_create(&tid, NULL, worker, &p2);
    double val = master(&p1);
    result_t *res = NULL;
    pthread_join(tid, (void **)&res);
    printf("PI = %f\n", 4 * (val + res->value));
    free(res);
}

双线程计算 π

要求：

基于莱布尼兹级数：1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - ... = PI/4
使用主线程 + 辅助线程的方式

涵盖知识点：

如何向不同的线程传递不同参数
如何获取线程的结果

代码实现：

#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include <stdlib.h>
const int N = 1e8;typedef struct { 
int start, end; } param_t;typedef struct { 
double value; 
} result_t;void *worker(void *arg){    param_t *param = (param_t *)arg;    
result_t *res = (result_t *)malloc(sizeof(result_t));   
 int i = param->start;    
 for (; i <= param->end; i++)
    {        
    if (i % 2) res->value += 1.0 / (2 * i - 1);        
    else res->value -= 1.0 / (2 * i - 1);
    }    return res;
}double master(void *arg){    
double res = 0.0;    
param_t *param = (param_t *)arg;    
int i = param->start;    
for (; i <= param->end; i++)
    {        
    if (i % 2) res += 1.0 / (2 * i - 1);        
    else res -= 1.0 / (2 * i - 1);
    }    return res;
}int main(){    pthread_t tid = 0;    
param_t p1 = {1, N / 2}, p2 = {N / 2 + 1, N};
    pthread_create(&tid, NULL, worker, &p2);    
    double val = master(&p1);    result_t *res = NULL;
    pthread_join(tid, (void **)&res);    
    printf("PI = %f\n", 4 * (val + res->value));   
     free(res);
}

多线程计算 π

要求：

适应 N 核心的 CPU
不能使用全局变量，必须通过传递参数与 join 获取返回值实现