《操作系统导论》第27章读书笔记：插叙：线程API

—— 2024-04-21 杭州 上午

本章讲得比较啰嗦，问题是本章的二级标题后面都会作为一个章节来讲，所以本章属于概况介绍类章节，另外这几个并发的章节使用的都是是POSIX线程库…

0.补充笔记：POSIX详解，以及和windows、linux的关系

什么是POSIX？

POSIX（Portable Operating System Interface）是一个操作系统接口标准，其目的是促进应用程序的可移植性。这一标准由IEEE（电气和电子工程师协会）开发，并被ISO和IEC采纳。POSIX标准定义了应用程序与操作系统之间的一组接口，包括系统调用、命令行工具和实用程序。

POSIX标准的主要组成部分

POSIX标准包括多个部分，主要可以分为以下几个领域：

1. 系统接口 - 包括文件系统、进程控制、线程、同步机制等。
2. Shell 和实用工具 - 定义shell行为和常见命令行工具，如awk、echo、sed等。
3. 用户和组管理 - 包括对用户ID和组ID的管理。
4. 程序编程接口(API) - 提供了一套标准的C库函数，用于实现系统服务和各种操作系统功能。

POSIX标准的优势

• 可移植性：程序员可以开发出可在任何支持POSIX的操作系统上运行的应用程序，这包括大多数Unix系统、Linux、BSD变体和MacOS。
• 兼容性：提供了一致的API，降低了从一个操作系统到另一个操作系统的迁移成本。
• 标准化：为操作系统设计提供了一套广泛接受的规范，有助于减少开发者在不同系统间迁移和学习的难度。

如何与非POSIX系统兼容

虽然POSIX旨在增强不同操作系统之间的兼容性，但并非所有操作系统都完全符合POSIX标准。例如，Windows就提供了自己的API，与POSIX有所不同。为了在Windows上运行POSIX兼容软件，可以使用如Cygwin这类工具，它提供了一个兼容POSIX标准的环境。

实际应用

在编写跨平台软件时，开发者通常会遵循POSIX标准，以确保软件能在不同的系统上运行。此外，操作系统开发者在设计系统时会尽量遵守POSIX标凈，以确保新系统能够运行已有的大量软件。

总结1

POSIX标准是推动操作系统之间兼容性的重要工具，它通过定义一组广泛接受的API、shell行为和工具，帮助软件开发者在不同的操作系统之间进行更轻松的迁移和开发。尽管存在一些不兼容的情况，POSIX的存在无疑为操作系统的互操作性提供了坚实的基础。

POSIX 与 Linux 的关系

POSIX（Portable Operating System Interface）标准旨在提供一个跨多种操作系统的一致的应用程序接口（API），使软件开发者能够写出可以在多个系统上运行的程序。Linux，作为一个类Unix系统，广泛地支持 POSIX 标准。这包括但不限于系统调用、命令行工具、用户和组管理等。

Linux 的设计初衷之一就是兼容 Unix，因此它实现了大量的 POSIX 接口，使得从其他 Unix-like 系统（如 BSD、Solaris）迁移到 Linux 的过程更为平滑。Linux 的核心组件，如 GNU 工具（bash、gawk 等）和其他基本工具，都遵循 POSIX 标准。因此，绝大多数遵循 POSIX 标准的软件可以在 Linux 上无缝运行，也使得 Linux 成为了众多软件开发者和系统管理员的首选平台。

POSIX 与 Windows 的关系

Windows 操作系统与 POSIX 的关系则较为复杂。Windows 并非一个基于 Unix 的操作系统，因此它的核心架构和 API 与 POSIX 标准相差较远。尽管如此，Microsoft 为了支持需要跨平台兼容性的企业用户，曾经在某些版本的 Windows 中实现了部分 POSIX 接口。

1. POSIX 子系统：在较旧的 Windows NT 和 Windows 2000 中，Microsoft 提供了一个称为 “POSIX 子系统” 的功能，这允许运行一些基于 POSIX 的应用程序。

2. Services for UNIX (SFU) 和 Subsystem for UNIX-based Applications (SUA)：这些是 Microsoft 提供的更为完整的工具和子系统，旨在提高 Windows 与 UNIX 系统的兼容性。

3. Windows 10 的 Bash Shell：最近的发展是，Windows 10 引入了一个名为 “Windows Subsystem for Linux (WSL)” 的特性，它允许用户在 Windows 上直接运行 Linux 二进制可执行文件。WSL 是一个兼容层，允许在 Windows 上运行一个完整的 Linux 环境，这提高了对 POSIX 标准的支持。

总结2

• Linux 与 POSIX：Linux 是 POSIX 标准的忠实实现者之一，它通过支持这些标准，提供了高度的兼容性和可移植性，特别是与其他 Unix-like 系统间。

• Windows 与 POSIX：虽然 Windows 本身并不是基于 POSIX 构建的，但 Microsoft 提供了多种工具和子系统来支持 POSIX API，以便于某些需要跨平台运行的应用程序能在 Windows 上工作。最近的 WSL 功能大大提高了 Windows 支持 POSIX 应用程序的能力，使其能更好地支持 Linux 应用和工具。

这样的关系揭示了操作系统设计者如何在保持自身系统特性的同时，也尽可能地向标准靠拢，以提高软件的可移植性和操作系统的可用性。

0.补充笔记：POSIX线程API列表

这个表格并不全面，但它涵盖了大部分常用的POSIX线程API的主要功能：

函数名	类别	描述
pthread_create	线程管理	创建一个新的线程
pthread_exit	线程管理	终止调用线程
pthread_join	线程管理	阻塞调用线程直到指定线程结束
pthread_detach	线程管理	将线程设置为可分离状态
pthread_self	线程管理	获取调用线程的线程ID
pthread_equal	线程管理	比较两个线程ID是否相同
pthread_once	线程管理	保证某个初始化代码只执行一次
pthread_cancel	线程管理	请求取消同一进程中的另一个线程
pthread_setcancelstate	线程管理	设置调用线程的取消状态
pthread_setcanceltype	线程管理	设置调用线程的取消类型
pthread_mutex_init	互斥锁（Mutex）	初始化互斥锁
pthread_mutex_destroy	互斥锁（Mutex）	销毁互斥锁
pthread_mutex_lock	互斥锁（Mutex）	加锁互斥锁
pthread_mutex_unlock	互斥锁（Mutex）	解锁互斥锁
pthread_mutex_trylock	互斥锁（Mutex）	尝试加锁互斥锁，如果锁已被占用则立即返回
pthread_cond_init	条件变量	初始化条件变量
pthread_cond_destroy	条件变量	销毁条件变量
pthread_cond_wait	条件变量	等待条件变量
pthread_cond_signal	条件变量	单个唤醒等待条件变量的线程
pthread_cond_broadcast	条件变量	唤醒所有等待条件变量的线程
pthread_rwlock_init	读写锁（RW Lock）	初始化读写锁
pthread_rwlock_destroy	读写锁（RW Lock）	销毁读写锁
pthread_rwlock_rdlock	读写锁（RW Lock）	获取读锁
pthread_rwlock_wrlock	读写锁（RW Lock）	获取写锁
pthread_rwlock_unlock	读写锁（RW Lock）	释放读或写锁
pthread_rwlock_tryrdlock	读写锁（RW Lock）	尝试获取读锁，如果锁已被占用则立即返回
pthread_rwlock_trywrlock	读写锁（RW Lock）	尝试获取写锁，如果锁已被占用则立即返回
pthread_key_create	线程局部存储（TLS）	创建一个线程特定数据键
pthread_key_delete	线程局部存储（TLS）	删除线程特定数据键
pthread_setspecific	线程局部存储（TLS）	设置与键相关的线程特定数据
pthread_getspecific	线程局部存储（TLS）	获取与键相关的线程特定数据

1.线程创建：pthread_create，书里对返回值和参数研究很细

图27.1 代码：创建线程

#include <pthread.h>typedef struct myarg_t {int a;int b;
} myarg_t;void *mythread(void *arg) {myarg_t *m = (myarg_t *) arg;printf("%d %d\n", m->a, m->b);return NULL;
}int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t p;int rc;myarg_t args;args.a = 10;args.b = 20;rc = pthread_create(&p, NULL, mythread, &args);...
}

2.线程完成

pthread_join的中文术语

在中文中，pthread_join 函数通常被称为“线程等待”或“线程合并”。这个函数的作用是调用线程（即执行 pthread_join 的线程）等待指定的线程终止，如果那个线程已经终止，则 pthread_join 会立即返回。这是一个同步操作，确保线程资源的正确回收和线程结束状态的获取。

"阻塞线程"术语

，“阻塞线程”（Blocking Thread）是一个常用的术语。在多线程编程中，当一个线程因为某些条件未被满足（例如等待一个事件发生、等待I/O操作完成、或等待获取锁）而暂停执行，这种状态被称为“阻塞”。阻塞线程将不会消耗CPU资源，它会保持在等待状态直到其等待的条件被满足。

例如，在使用 pthread_join 函数时，如果被等待的线程尚未结束，那么调用 pthread_join的线程会进入阻塞状态，直到被等待的线程结束为止。这就是一个典型的阻塞线程的场景。

图27.2 代码：等待线程完成，书里对返回值和参数研究很细

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>typedef struct myarg_t {int a;int b;
} myarg_t;typedef struct myret_t {int x;int y;
} myret_t;void *mythread(void *arg) {myarg_t *m = (myarg_t *) arg;printf("%d %d\n", m->a, m->b);myret_t *r = Malloc(sizeof(myret_t));r->x = 1;r->y = 2;return (void *) r;
}int main(int argc, char *argv[]) {int rc;pthread_t p;myret_t *m;myarg_t args;args.a = 10;args.b = 20;Pthread_create(&p, NULL, mythread, &args);Pthread_join(p, (void **) &m);printf("returned %d %d\n", m->x, m->y);return 0;
}

图27.3 代码：较简单的向线程传递参数示例

#include <stdio.h>      // 引入标准输入输出库
#include <pthread.h>    // 引入 POSIX 线程库// 线程函数定义
void *mythread(void *arg) {// 将传入的void*指针转换为int类型int m = (int)arg;// 打印传入的整数printf("%d\n", m);// 将传入的整数加一后，转换为void*指针返回return (void *)(arg + 1);
}// 主函数
int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t p;  // 定义线程的IDint rc, m;    // 定义接收线程返回值的变量// 创建线程，传入数字100作为参数// 这里有一个错误，函数名应该是小写的pthread_createPthread_create(&p, NULL, mythread, (void *)100);// 等待线程结束，并获取线程返回值// 这里有一个错误，函数名应该是小写的pthread_joinPthread_join(p, (void **)&m);// 打印线程返回的值printf("returned %d\n", m);return 0; // 程序正常退出
}

pthread线程中错误地返回栈上分配的局部变量的地址

图片中的文本包含了一个C语言编写的多线程示例代码，它演示了如何在pthread线程中错误地返回栈上分配的局部变量的地址。这是一个常见的错误，因为栈上的数据在函数返回后可能会被覆盖，导致未定义行为。

代码中定义了一个线程函数mythread，它打印出传入结构体的两个成员变量的值，并试图返回一个在栈上分配的结构体变量的地址。注释中指出这样做是错误的（BAD!）。

下面是图片中代码的Markdown格式：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>typedef struct {int a;int b;
} myarg_t;typedef struct {int x;int y;
} myret_t;void *mythread(void *arg) {myarg_t *m = (myarg_t *) arg;printf("%d %d\n", m->a, m->b);myret_t r; // ALLOCATED ON STACK: BAD!r.x = 1;r.y = 2;return (void *) &r;
}// ... (其他代码可能在这里)int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t p;myarg_t args = {10, 20};myret_t *result;pthread_create(&p, NULL, mythread, &args);pthread_join(p, (void **) &result);printf("%d %d\n", result->x, result->y);return 0;
}// ... (其他代码可能在这里)

这段代码试图创建一个线程，然后等待线程结束，并打印线程函数返回的结构体中的值。但是，由于返回的是栈上分配的局部变量的地址，这段代码在执行时会有问题。返回的指针可能指向不再有效的内存，因为当mythread函数返回时，r变量所占用的栈空间可能会被用于其他目的。

图片下方的文本警告说这是一个严重错误，并指出在这个函数返回后，r变量的内存可能会被其他线程或函数调用覆盖。它还提到了第27.3条，这可能是某个文档或书籍中的一条规则，但没有更多的上下文信息，无法确定其具体含义。

最后，图片下方的文本建议使用gcc编译器的-Wall选项来编译代码，以便发现潜在的问题。-Wall选项会启用编译器的大多数警告，帮助开发者找到可能的代码错误。

3.锁

4.条件变量

最后一点需要注意：等待线程在while循环中重新检查条件，而不是简单的if语句。在后续章节中研究条件变量时，我们会详细讨论这个问题，但是通常使用while循环是一件简单而安全的事情。虽然它重新检查了这种情况（可能会增加一点开销），但有一些pthread实现可能会错误地唤醒等待的线程。在这种情况下，没有重新检查，等待的线程会继续认为条件已经改变。因此，将唤醒视为某种事物可能已经发生变化的暗示，而不是绝对的事实，这样更安全。

5.编译和运行、小结

6.补充笔记：pthread_create的第4个参数和pthread_join的第2个参数详解

pthread_create 和 pthread_join 是 POSIX 线程（pthread）库中的两个基本函数，用于在 C 或 C++ 程序中创建和管理线程。下面我们将详细解释这两个函数中的特定参数。

pthread_create 的第四个参数

pthread_create 函数用于创建一个新的线程。其函数原型如下：

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

• 第四个参数 (void *arg): 这是一个 void 指针，用于传递给线程启动函数（start_routine）的单个参数。这允许用户向线程函数传递数据。由于它是一个类型为 void * 的指针，它可以指向任何类型的数据，从而使得该函数可以接收各种类型的参数。

  例如，若要传递一个整数或结构体给线程，你可以传递指向这些数据的指针。在线程函数中，你需要将这个 void * 指针转换回原始类型的指针，以便正确处理数据。

pthread_join 的第二个参数

pthread_join 函数用于等待指定的线程终止。其函数原型如下：

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

• 第二个参数 (void **retval): 这是一个指向 void * 的指针，用于接收线程通过 pthread_exit 调用或从线程函数返回的退出状态。如果线程成功返回并且这个参数不是 NULL，则这个位置将被更新为指向线程的返回值。

  这个参数给调用者提供了一种方式来获取线程结束时返回的数据，这非常有用，例如，当线程执行完成一些计算并需要返回结果时。如果不关心返回值，可以将此参数设置为 NULL。

在使用 pthread_create 创建线程时，你可以让线程函数返回一个值，这个值可以通过 pthread_join 的第二个参数来接收。这是一个非常常见的用法，用于从线程中获取计算结果或状态。

线程函数的返回值类型是 void *，这意味着它可以返回指向任何类型数据的指针。当线程函数退出时，它返回的指针可以通过 pthread_join 调用中的第二个参数获取。

示例：说明如何从具有返回值的线程函数中获取返回值

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 线程函数
void *thread_func(void *arg) {int *input = (int *)arg;int *result = malloc(sizeof(int));  // 分配内存以存储结果*result = (*input) * 2;  // 计算结果，这里简单地将输入值乘以2// 直接从函数返回result，相当于pthread_exit(result);return result;
}int main() {pthread_t thread;int value = 10;// 创建线程，传递value的地址pthread_create(&thread, NULL, thread_func, &value);// 等待线程结束，并接收返回值void *retval;pthread_join(thread, &retval);// 输出线程返回的结果printf("Thread returned: %d\n", *(int *)retval);// 释放由线程分配的内存free(retval);return 0;
}

在这个例子中，thread_func 函数计算传入值的两倍，并将结果存储在动态分配的内存中。它直接从函数返回这个内存地址，这与调用 pthread_exit 并传递这个地址是等同的。

在主函数中，我们使用 pthread_join 来等待线程结束并接收它的返回值。pthread_join 的第二个参数 &retval 接收线程函数返回的指针。然后我们可以使用这个指针访问线程计算的结果，并在最后负责释放这段内存。

这种方式非常灵活，可以通过线程返回指针来传递结构体、数组或任何其他类型的数据，只要确保调用线程（这里是 main 函数中的代码）负责适当地管理这些数据（例如释放内存）。