术语定义
同步与异步
同步（synchronous）意味着同时在一起工作。例如聊天室和在线会议就是同步的好例子，在聊天室中，人们对彼此的对话会立即得到反应。
同步相对来说比较简单，但开销相对较大。
异步（asynchronous) 表明事情相互独立地发生， 异步双方不需要共同的时钟，也就是接收方不知道发送方什么时候发送。例如论坛和电子邮件就是采用异步通信的一个好例子，这样沟通的双方都会有足够的时间去思考。
异步增加了复杂性以及更加麻烦的调试过程。如果你没有同时执行多个活动， 那么异步就没有什么优势。 如果你开始了一个异步活动， 然后什么也不做等待它结束， 则你并没有从异步那儿获得太多好处。
并发与并行
并发（concurrency ) 的意思是指事情同时发生。 也是指让实际上可能串行发生的事情好像同时发生一样。 并发描述了单处理器系统中线程或进程的行为特点。在 POSIX 中，并发的定义要求“延迟调用线程的函数不应
该导致其他线程的无限期延迟。
并行（parallelism) 指并发序列同时执行， 换言之，软件中的“并行”语言中的“并发”是相同的意思， 而区別于软件中的“并发”。指事情在相同的方向上独立进行（没有交错）。
真正的并行只能在多处理器系统中存在， 但是并发可以在单处理器系统和多处理器系统中都存在。
并发能够在单处理器系统中存在是因为并发实际上是并行的假象。 并行要求程序能够同时执行多个操作，而并发只要求程序能够假装同时执行多个操作。
单处理器和多处理器
单处理器是指一台计算机只有一个编程人员可见的执行单元（处理器）。对于拥有超标量体系结构、向量或者其他数学或 I/O 协处理器的单一通用处理器，我们仍然把它当成单处理器。
多处理器是指一台计算机拥有多个处理器，它们共享同一个指令集和相同的物理内存。虽然处理器不必同等地访问所有物理内存，但是每一个应该都能访问大部分内存。
线程安全和可重入
线程安全是指代码能够被多个线程调用而不会产生灾难性的结果。它补要求代码在多个线程中高效的运行，只要求能够安全的运行。人部分现行函数可以利用 Pthreads 提供的互斥量、 条件变量和线程私有数据来实现线程的安全。比如，在进入函数时加锁，在退出函数时解锁。这样的函数可以被多个线程调用，但一次只能有一个线程调用它。
“可重入”有时用来表示”有效的线程安全”。意味着函数不在连续的调用中保存静态数据，也不返回指向静态数据的指针。所有的数据都是由函数的调用程序提供的。重入函数不得调用非重入函数。
线程的好处
多线程编程模型具有以下优点：
- 在多处理器系统中开发程序的并行性，除了并行性这一优点是需要特殊硬件支持外， 其他优点对硬件不做要求。
- 在等待慢速外设 I/O 操作结束的同时， 程序可以执行其他计算， 为程序的并发提供更有效、 更自然的开发方式。
- 一种模块化编程模型， 能清晰地表达程序中独立事件间的相互关系。
线程的代价
任何事情都有代价，线程也不例外。在很多情形下好处超过了代价，在其他情形下则相反。
- 计算负荷。比如线程间同步会直接影响运行时间，对于两个总是同时使用的变量分别加以保护，这意味着你在同步上花费太多的时间而损失了并发。
- 编程规则。尽管线程编程模型的基本思想简单，但是编写实际的代码不是件容易的事。编写能够在多个线程中良好工作的代码需要认真的思考和计划。你需要明白同步协议和程序中的不变量（invariant), 你不得不避免死锁、竞争和优先级倒置。
- 更难以调试。调试不可避免地要改变事件的时序。在调试串行代码时不会有什么大问题，但是在调试异步代码时却是致命的。如果一个线程因调试陷阱而运行得稍微慢了，则你要跟踪的问题就可能不会出现。每个程序员都会遇到此类在调试时无法再现的错误，这在线程编程中会更加普遍。
选择线程还是不用线程
线程并非总是容易使用，而且并非总是可达到最好的性能。一些问题本身就是非并发的，添加线程线程只能降低程序的性能并使程序复杂。如果程序中的每一步都需要上一步的结果，则使用线程不会有任何帮助。每个线程不得不等待其他线程的结束。
最适合使用线程的应用包括以下这些：
- 计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将这些计算分解到多个线程中实现。
- I/O 密集型应用，为提高性能，将 I/O 操作重叠。很多线程可以同时等待不同的 I/O 操作。分布式服务器应用就是很好的实例，它们必须响应多个客户的请求，必须为通过慢速网络的连接主动提供 I/O 准备。
POSIX线程概念
POSIX 线程线程 API 遵循国际正式标准 POSIX 1003.1c-1995, 我们将使用非正式的术语 “Pthreads” 代表 “POSIX 1003.1c-1995”。
线程系统包含三个基本要素：
- 执行环境，是并发实体的状态。 并发系统必须提供建立、 删除执行环境和独立维护它们状态的方式。
- 调度，决定在某个给定时刻该执行哪个环境（或环境组）， 并在不同的环境中切换。
- 同步，为并发执行的环境提供了协调访问共享资源的一种机制。
下表列出了上述三方面的几个不同的实例：
| 环境 | 执行环境 | 调度 | 同步 |
|---|---|---|---|
| 交通 | 汽车 | 红绿灯 | 转变信号和刹车灯 |
| UNIX ( 无线程 ) | 进程 | 优先级 | 等待和管道 |
| Pthreads | 线程 | 策略、 优先级 | 条件变量和互斥量 |
结构概述
使用 Pthreads, 通过调用 pthread_create 来创建执行环境（线程）。 创建一个线程同样也调度了该线程的执行，这将通过调用指定的 “线程启动” 函数开始。Pthreads 允许在创建线程时指定调度参数，或者在线程运行时设定。
当线程调用 pthread_exit 时退出，或者也可以从线程启动函数中返回时退出。
基本的 Pthreads 同步模型使用 互斥量 来保护共享数据，使用 条件变量 来通信，还可以使用其他的同步机制，如 信号量、管道 和 消息队列。
互斥量允许线程在访问共享数据时锁定它，以避免其他线程的干扰。条件变量允许线程等待共享数据到达某个期望的状态（例如队列非空或者资源可用）。
类型和接口
POSIX 线程数据类型：
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| pthread_t | 线程标识符 |
| pthreae_mutex_t | 互斥量 |
| pthread_code_t | 条件变量 |
| pthread_key_t | 线程私有权握访问键 |
| pthread_attr_t | 线程属性对象 |
| pthread_mutexattr_t | 互斥量属性对 |
| pthread_condattr_t | 条件变属性对象 |
| pthread_once_t | “一次性初始化”控制变量 |
错误检查
在传统的UNIX系统和原来的标准中．errno 是一个外部整型变量。由于该变量一次只能有一个值，所以只能支持进程中的单一执行流程。
传统的报错机制有许多问题，包括很难创建在报错的同时返回一个有用的 -1 值的函数。当引入多线程时会有更严重的问题。
Pthreads 修订版是 POSIX 中第一个与传统的 UNIX 和 C 语言报错机制相分离的部分。
Pthreads 中的新函数通过返回值来表示错误状态，而不是用变量。当成功时，Pthreads 函数返回 0, 并包含一个额外的输出参数来指向存有“有用结果”
的地址。当发生错误时，函数返回一个包含在 errno 变量以支持其他使用 <errao.h> 文件中的错误代码。
下面程序是一个典型的线程错误检查代码，因为 pthread_t 变量拥有一个无效的值，所以在使用 pthread_join 在遇到无效线程ID时会返回错误代码 ESRCH。
运行下面程序将显示错误消息：error 3: No such process。
12345678910111213141516 | #include <stdio.h>#include <string.h>#include <errno.h>int (){ pthread_t thread; int status; status = pthread_join(thread, NULL); if (status != 0) fprintf(stderr, "error %d: %sn", status, strerror(status)); return status;} |
为了避免在实例代码的每个函数调用中都增加报错和退出的代码段，我们需要写两个报错宏使用 err_abort 检测标准的 Pthreads 错误， 使用 errno_abort 检测传统的 errno 错误变量方式。
12345678910111213 | #define err_abort(code, text) do { fprintf(stderr, "%s at "%s":%d: %sn", text, __FILE__, __LINE__, strerror(code)); abort(); } while(0)#define errno_abort(text) do { fprintf(stderr, "%s at "%s":%d: %sn", text, __FILE__, __LINE__, strerror(errno)); abort(); } while(0) |
异步编程举例
下面使用一个简单的闹钟实例程序来演示基本的异歩编程方法。该程序循环接受用户输入信息，直到出错或者输入完毕，用户输入的每行信息中，第一部分是闹钟等待的时间（ 以秒为单位），第二部分是闹钟时间到迖时显示的文本消息。
同步版本
一直同步等待 fgets 产生输入，然后根据输入的秒数进行等待指定时间，最后输出闹钟响起的消息。该程序的问题是一次只能处理一个闹钟请求，如果你的程序设置了一个10分钟闹钟，就不能再继续让它在5分钟时响起另外一个闹钟。
1234567891011121314151617181920212223 | #include 大专栏 POSIX 多线程程序设计-概述g">"errors.h"int (void) { int seconds; char line[128]; char message[64]; while(1) { printf("Alarm> "); if (fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) exit(0); if (strlen(line) == 0) continue; if (sscanf(line, "%d %64[^n]", &seconds, message) < 2) { fprintf(stderr, "Bad commandn"); } else { sleep(seconds); printf("(%d) %sn", seconds, message); } }} |
多进程版本
为每个命令使用 fork 调用生成一个独立的子进程来处理闹钟。fork 版本是异步方式的的一种实现，该程序可以随时输入命令行，它们被彼此独立地执行。 新版本并不比同步版本复杂多少。
该版本的主要难点在于对所有己终止子进程的 reap。如果程序不做这个工作，则要等到程序退出的时候由系统回收，通常回收子进程的方法是调用某个 wait 系列函数。在本例中，我们调用 waitpid 函数，并设置 WNOHANG（父进程不必挂等待子进程的结束）。
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839 | #include <sys/types.h>#include <wait.h>#include "errors.h"int (void) { pid_t pid; int seconds; char line[128]; char message[64]; while(1) { printf("Alarm> "); if (fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) exit(0); if (strlen(line) <= 1) continue; if (sscanf(line, "%d %64[^n]", &seconds, message) < 2) { fprintf(stderr, "Bad commandn"); } else { pid = fork(); if (pid == -1) errno_abort("Fork"); if (pid == (pid_t)0) { sleep(seconds); printf("(%d) %sn", seconds, message); exit(0); } else { do { pid = waitpid((pid_t)-1, NULL, WNOHANG); if (pid == (pid_t) -1) errno_abort("Wait for child"); } while(pid != (pid_t)0); } } }} |
多线程版本
多线程版本与多进程十分相似，只是使用线程而非子进程来实现异步闹钟。本例中用到了以下三个Pthread函数：
pthread_create函数建立一个线程， 运行由第三个参数alarm_thread指定的例程，并返回线程标识符 ID (保存在thread引用的变量中）pthread_self获取当前线程标识符 ID。pthread_detach函数允许在当线程终止时立刻回收线程资源。
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051 | #include "errors.h"typedef struct alarm_tag { int seconds; char message[64];} alarm_t;void *alarm_thread(void *arg) { alarm_t *alarm = (alarm_t*)arg; int status; status = pthread_detach(pthread_self()); if (status != 0) err_abort(status, "Detach thread"); sleep(alarm->seconds); printf("(%d) %sn", alarm->seconds, alarm->message); free(alarm); return NULL;}int (void) { int status; int seconds; char line[128]; alarm_t *alarm; pthread_t thread; while(1) { printf("Alarm> "); if (fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) exit(0); if (strlen(line) <= 1) continue; alarm = (alarm_t*)malloc(sizeof(alarm_t)); if (alarm == NULL) errno_abort("Allocate alarm"); if (sscanf(line, "%d %64[^n]", &alarm->seconds, alarm->message) < 2) { fprintf(stderr, "Bad commandn"); free(alarm); } else { status = pthread_create(&thread, NULL, alarm_thread, alarm); if (status != 0) err_abort(status, "Create alarm thread"); } }} |