什么是线程库，线程库类别及其应用

线程库为程序员提供创建和管理线程的 API。实现线程库的主要方法有两种：

1. 在用户空间中提供一个没有内核支持的库。这种库的所有代码和数据结构都位于用户空间。这意味着，调用库内的一个函数只是导致了用户空间内的一个本地函数的调用，而不是系统调用。
2. 实现由操作系统直接支持的内核级的一个库。对于这种情况，库内的代码和数据结构位于内核空间。调用库中的一个API函数通常会导致对内核的系统调用。

目前使用的三种主要线程库是：POSIX Pthreads、Windows 和 Java：

• Pthreads 作为 POSIX 标准的扩展，可以提供用户级或内核级的库；
• Windows 线程库是用于 Windows 操作系统的内核级线程库；
• Java 线程 API 允许线程在 Java 程序中直接创建和管理。然而，由于大多数 JVM 实例运行在宿主操作系统之上，Java 线程 API 通常采用宿主系统的线程库来实现。这意味着在 Windows 系统上，Java 线程通常采用 Windows API 来实现，而在 UNIX 和 Linux 系统中采用 Pthreads 来实现。

对于 POSIX 和 Windows 线程，全局声明（即在函数之外声明的）的任何数据，可为同一进程的所有线程共享。因为 Java 没有全局数据的概念，所以线程对共享数据的访问必须加以显式安排。属于某个函数的本地数据通常位于堆栈。由于每个线程都有自己的堆栈，每个线程都有自己的本地数据。

在本节的余下部分中，我们将通过这三种线程库介绍简单的线程创建。作为一个说明例子，我们设计了一个多线程程序，以便执行非负整数的求和，这里采用了著名的求和函数：

例如，如果 N 为 5，这个函数表示对从 0 到 5 的整数进行求和，结果为 15。这三个程序根据从命令上输入的求和的上界来运行。因此，如果用户输入 8，那么输出的将是从 0 到 8 的整数值的总和。

我们在继续线程创建的例子之前，介绍多线程创建的两个常用策略：异步线程和同步线程。

对异步线程，一旦父线程创建了一个子线程后，父线程就恢复自身的执行，这样父线程与子线程会并发执行。每个线程的运行独立于其他线程，父线程无需知道子线程何时终止。由于线程是独立的，所以线程之间通常很少有数据共享。如图 1 所示的多线程服务器使用的策略就是异步线程。

图 1 多线程的服务器架构

如果父线程创建一个或多个子线程后，那么在恢复执行之前应等待所有子线程的终止（分叉-连接策略），这就出现了同步线程。这里，由父线程创建的线程并发执行工作，但是父线程在这个工作完成之前无法继续。一旦每个线程完成了它的工作，它就会终止，并与父线程连接。只有在所有子线程都连接之后，父线程才恢复执行。

通常，同步线程涉及线程之间的大量数据的共享。例如，父线程可以组合由子线程计算的结果。所有下面的例子都使用同步线程。

Pthreads

Pthreads 是 POSIX 标准（IEEE 1003.1c）定义的线程创建与同步 API。这是线程行为的规范，而不是实现。操作系统设计人员可以根据意愿采取任何形式的实现。

许多操作系统都实现了这个线程规范，大多数为 UNIX 类型的系统，如 Linux、Mac OS X 和 Solaris。虽然 Windows 本身并不支持 Pthreads，但是有些第三方为 Windows 提供了 Pthreads 的实现。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
int sum; /* this data is shared by the thread(s) */
void *runner(void *param); /* threads call this function */
int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid; /* the thread identifier */
    pthread_attr_t attr; /* set of thread attributes */
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr,"usage: a.out <integer value>\n");
        return -1;
    }
    if (atoi(argv[1]) < 0) {
        fprintf (stderr, "%d must be >= 0\n", atoi (argv [1])); return -1;
    }
    /* get the default attributes */
    pthread_attr_init (&attr);
    /* create the thread */
    pthread-create (&t id，&attr，runner，argv [1]);
    /* wait for the thread to exit */
    pthread_join(tid, NULL);
    printf ("sum = %d\n",sum);
}
/* The thread will begin control in this function */
void *runner(void *param)
{
    int i,upper = atoi(param);
    sum = 0;
    for (i = 1; i <= upper; i++)
        sum += i;
    pthread_exit(0);
}

如上所示的 C 程序演示了基本的 Pthreads API，它构造一个多线程程序，用于通过一个独立线程来计算非负整数的累加和。对于 Pthreads 程序，独立线程是通过特定函数执行的。此程序中这个特定函数是 runner() 函数。当程序开始时，单个控制线程从 main() 函数开始。在初始化之后，main() 函数创建了第二个线程，它从 runner() 函数开始控制。两个线程共享全局数据 sum。

下面，我们深入分析这个程序。所有的 Pthreads 程序都要包括头文件 pthread.h。语句 pthread_t tid 声明了创建线程的标识符。每个线程都有一组属性，包括堆栈大小和调度信息。声明 pthread_attr_t attr 表示线程属性；通过调用函数 pthread_attr_init(&attr) 可以设置这些属性。由于没有明确设置任何属性，所以使用缺省属性。通过调用函数 pthread_create() 可以创建一 个单独线程。除了传递线程标识符和线程属性外，还要传递函数名称，这里为 runner()，以 便新线程可以开始执行这个函数。最后，还要传递由命令行参数 argv[1] 提供的整型参数。

此时，本程序已有两个线程：初始（父）线程，即 main()；执行累加和（子）线程，即 runner()。这个程序采用上面所述的分叉-连接策略：在创建了累加和线程之后，父线程通过调用 pthread_join() 函数等待 runner() 线程的完成。累加和线程在调用了函数 pthread_exit() 之后就会终止。一旦累加和线程返回，父线程就输出累加和的值。

这个示例程序只创建一个线程。随着越来越多的多核系统的出现，编写包含多个线程的程序也变得越来越普遍。通过 pthread_join() 等待多个线程的一个简单方法：将这个操作包含在一个简单的 for 循环中。

例如，通过如下 Pthreads 代码，你能连接 10 个线程：

#define NUM_THREADS 10
/* an array of threads to be joined upon */
pthread_t workers [NUM_THREADS];
for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++)
    pthread_join(workers[i]，NULL);

Windows 线程

采用 Windows 线程库创建线程的技术，在许多方面都类似于 Pthreads 技术。如下所示的 C 程序说明了 Windows 线程 API：

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
DWORD Sum; /* data is shared by the thread(s) */
/* the thread runs in this separate function */
DWORD WINAPI Summation(LPVOID Param)
{
    DWORD Upper = *(DWORD*)Param;
    for (DWORD i = 0; i <= Upper; i++)
        Sum += i;
    return 0;
}
int main(int argc, char *axgv[])
{
    DWORD ThreadId;
    HANDLE ThreadHandle;
    int Param;
    if (argc != 2) {   
        fprintf(stderr,"An integer parameter is required\n");
        return -1;
    }
    Pax am = atoi(argv[1]);
    if (Param < 0) {
        fprintf(stderr,"An integer >= 0 is required\n");
        return -1;
    }
    /* create the thread */
    ThreadHandle = CreateThread(
        NULL, /* default security attributes */
        0, /* default stack size */
        Summation, /氺 thread function */
        &Param, /* parameter to thread function */
        0, /* default creation flags */
        &ThreadId); /* returns the thread identifier */
    if (ThreadHandle != NULL) {
        /* now wait for the thread to finish */
        WaitForSingleObject(ThreadHandle，INFINITE);
        /* close the thread handle */
        CloseHandle(ThreadHandle);
        printf (" sum = %d\n",Sum);
    }
}

注意，在使用 Windows API 时，我们应包括头文件 windows.h。

前面所讲的 Pthreads 例子中，各个线程共享的数据（这里为 Sum）需要声明为全局 变量（数据类型 DWORD 是一个无符号的 32 位整型）；还定义了一个函数 Summation() 以便在单独线程中执行，该函数还要传递一个 void 指针，Windows 将其定义为 LPVOID。执行这个函数的线程将全局数据 Sum 赋值为：从 0 到 Param 的累加和的值，这里 Param 为传递到函数 Summation() 的参数。

线程创建的 Windows API 为函数 CreateThread()；与 Pthreads 一样，还要传给这个函数一组线程属性。这些属性包括安全信息、堆栈大小、用于表示线程是否处于暂停状态的标志。这个程序采用这些属性的缺省值（在缺省情况下，新创建线程的状态不是暂停的，而是由 CPU 调度程序来决定它是否可以运行）。

在创建累加和线程后，父线程在输出累加和之前应等待累加和线程的完成，因为该值是累加和线程赋值的。回想一下 Pthreads 程序，通过 pthread_join() 语句，父线程等待累加和线程。执行对应功能的 Windows API 为函数 WaitForSingleObject()，它导致创建者线程阻塞，直到累加和线程退出。

在需要等待多个线程完成的情况下，可以采用函数 WaitForMultipleObjects()。这个函数需要 4 个参数：

1. 等待对象的数量；
2. 对象数组的指针；
3. 是否等待所有对象信号的标志；
4. 超时时长（或INFINITE（无穷））；

例如，如果 THandles 为线程 HANDLE 对象的数组，大小为 N，那么父线程可以通过如下语句等待所有子线程都已完成：

WaitForMultipleObjects(N, THandles, TRUE, INFINITE);

Java 线程

Java 程序的线程是程序执行的基本模型，Java 语言和 API 为线程创建和管理提供了丰富的功能。所有 Java 程序至少包含一个控制线程，即使只有方法 main() 的一个简单 java 程序也是在 JVM 中作为一个线程运行的。

Java 线程可运行于提供 JVM 的任何系统，如 Windows、Linux 和 Mac OS X 等，也可用于 Android 应用程序。

在 Java 程序中，有两种技术来创建线程：

1. 是创建一个新的类，它从类 Thread 派生并重载函数 run();
2. 更常使用的方法是定义一个实现接口 Runnable 的类。Runnable 接口定义如下：

public interface Runnable {
    public abstract void run()；
}

当一个类实现接口 Runnable 时，它必须定义一个方法 run()。方法 run( ) 的实现代码就是作为一个单独线程来运行的。

class Sum {
    private int sum；
    public int getSum() {
        return sum；
    }
    public void setSum(int sum) {
        this.sum = sum；
    }
}
class Summation implements Runnable {
    private int upper;
    private Sum sumValue；
    public Summation(int upper, Sum sumValue)
    {
        this.upper = upper;
        this.sumValue = sumValue；
    }
    public void run() {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= upper； i++)
            sum += i；
        sumValue.setSum(sum)；
    }
}
public class Driver {
    public static void main(String[] args)
    {
        if (args.length > 0)
        {
            if (Integer.parseInt(args[0] ) < 0)
                System.err.println(args[0] + " must be >= 0.");
            else {
                Sum sumObject = new Sum();
                int upper = Integer.parseInt(args[0]);
                Thread thrd = new Thread(new Summation(upper, sumObject));
                thrd.start();
                try {
                    thrd.join();
                    System.out.println("The sum of "+upper+" is "+sumObject.getSum())；
                } catch (InterruptedException ie) { }
            }
        }
        else
            System.err.println("Usage: Summation <integer value>");
        }
    }
}

以上代码为 Java 多线程程序，用于计算非负整数的累加和。类 Summation 实现接口 Runnable。 线程创建是通过创建类 Thread 的一个对象实例并且传给构造函数一个 Runnable对象。

创建 Thread 对象不会创建一个新的线程，实际上，方法 start() 创建新的线程。调用新对象的方法 start() 做两件事：

1. JVM 中，为新线程分配内存并初始化。
2. 调用方法 run()，以便能在 JVM 中运行（再次提醒：我们从不直接调用方法 run()，而是调用方法 start()，然后它会调用方法 run())。

当累加和程序运行时，JVM 创建两个线程。第一个是父线程，它从函数 main() 开始执行。第二个线程在调用 Thread 对象的方法 start() 时加以创建。这个子线程从类 Summation 的方法 run() 开始执行。在输出总和值之后，该线程在退出方法 run() 时终止。

对于 Windows 和 Pthreads，线程间的数据共享容易，因为共享数据可简单声明成全局数据。作为一个纯面向对象语言，Java 没有这样的全局数据概念。在 Java 程序中，如果两个或更多的线程需要共享数据，那么可以通过向相应线程传递共享对象引用来实现。

在前面的 Java 程序中，线程 main 和累加和线程共享类 Sum 的对象实例。对这个共享对象的访问，采用方法 getSum() 和 setSum()。（你可能好奇为什么不使用 java.lang.Integer  对象，而是设计一个新的 sum 类。这是因为 java.lang.Integer 类是不可变的，即一旦赋值，就不可改变。）

回想一下 Pthreads 和 Windows 库的父线程，它们在继续之前，分别使用 pthread_join() 或 WaitForSingleObject() 等待累加和线程的结束。Java 的方法 join() 提供了类似的功能。（注意，join() 可能会拋出 InterruptedException，但是这里就不细说了。）如果父线程需要等待多个线程的完成，那么可将方法 join() 放到一个 for 循环，类似于前面所示的 Pthreads 程序。