1 引言
執行緒（thread）技術早在60年代就被提出，但真正套用多執行緒到作業系統中去，是在80年代中期，solaris是這方面的佼佼者。傳統的Unix也支持執行緒的概念，但是在一個進程（process）中只允許有一個執行緒，這樣多執行緒就意味著多進程。現在，多執行緒技術已經被許多作業系統所支持，包括Windows/NT，當然，也包括Linux。
為什麼有了進程的概念後，還要再引入執行緒呢？使用多執行緒到底有哪些好處？什麼的系統應該選用多執行緒？我們首先必須回答這些問題。
使用多執行緒的理由之一是和進程相比，它是一種非常"節儉"的多任務操作方式。我們知道，在Linux系統下，啟動一個新的進程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數據表來維護它的代碼段、堆疊段和數據段，這是一種"昂貴"的多任務工作方式。而運行於一個進程中的多個執行緒，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分數據，啟動一個執行緒所花費的空間遠遠小於啟動一個進程所花費的空間，而且，執行緒間彼此切換所需的時間也遠遠小於進程間切換所需要的時間。據統計，總的說來，一個進程的開銷大約是一個執行緒開銷的30倍左右，當然，在具體的系統上，這個數據可能會有較大的區別。
使用多執行緒的理由之二是執行緒間方便的通信機制。對不同進程來說，它們具有獨立的數據空間，要進行數據的傳遞只能通過通信的方式進行，這種方式不僅費時，而且很不方便。執行緒則不然，由於同一進程下的執行緒之間共享數據空間，所以一個執行緒的數據可以直接為其它執行緒所用，這不僅快捷，而且方便。當然，數據的共享也帶來其他一些問題，有的變數不能同時被兩個執行緒所修改，有的子程式中聲明為static的數據更有可能給多執行緒程式帶來災難性的打擊，這些正是編寫多執行緒程式時最需要注意的地方。
除了以上所說的優點外，不和進程比較，多執行緒程式作為一種多任務、並發的工作方式，當然有以下的優點：
1) 提高應用程式回響。這對圖形界面的程式尤其有意義，當一個操作耗時很長時，整個系統都會等待這個操作，此時程式不會回響鍵盤、滑鼠、選單的操作，而使用多執行緒技術，將耗時長的操作（time consuming）置於一個新的執行緒，可以避免這種尷尬的情況。
2) 使多CPU系統更加有效。作業系統會保證當執行緒數不大於CPU數目時，不同的執行緒運行於不同的CPU上。
3) 改善程式結構。一個既長又複雜的進程可以考慮分為多個執行緒，成為幾個獨立或半獨立的運行部分，這樣的程式會利於理解和修改。
下面我們先來嘗試編寫一個簡單的多執行緒程式。
2 簡單的多執行緒編程
Linux系統下的多執行緒遵循POSIX執行緒接口，稱為pthread。編寫Linux下的多執行緒程式，需要使用頭檔案pthread.h，連線時需要使用庫libpthread.a。順便說一下，Linux下pthread的實現是通過系統調用clone（）來實現的。clone（）是Linux所特有的系統調用，它的使用方式類似fork，關於clone（）的詳細情況，有興趣的讀者可以去查看有關文檔說明。下面我們展示一個最簡單的多執行緒程式ex1.c。
/* ex1.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
void thread(void)
{
int i;
for(i=0;i<3;i++)
{
printf("This is a pthread.\n");
// Sleep(i);
{
}
int main(void)
{
pthread_t id;
int i,ret;
ret=pthread_create(&id,NULL,(void *) thread,NULL);
if(ret!=0)
{
printf ("Create pthread error!\n");
exit (1);
}
for(i=0;i<3;i++)
{
printf("This is the main process.\n");
//Sleep(i);
}
pthread_join(id,NULL);
return (0);
}
我們編譯此程式：
#gcc -o ex1 ex1.c -lpthread
運行ex1:
#./ex1
我們得到如下結果：
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is the main process.
This is a pthread.
This is a pthread.
再次運行，我們可能得到如下結果：
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
前後兩次結果不一樣，這是兩個執行緒爭奪CPU資源的結果。上面的示例中，我們使用到了兩個函式， pthread_create和pthread_join，並聲明了一個pthread_t型的變數。
pthread_t在頭檔案/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定義：
typedef unsigned long int pthread_t;
它是一個執行緒的標識符。函式pthread_create用來創建一個執行緒，它的原型為：
extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,
void *(*__start_routine) (void *), void *__arg));
第一個參數為指向執行緒標識符的指針，第二個參數用來設定執行緒屬性，第三個參數是執行緒運行函式的起始地址，最後一個參數是運行函式的參數。這裡，我們的函式thread不需要參數，所以最後一個參數設為空指針。第二個參數我們也設為空指針，這樣將生成默認屬性的執行緒。對執行緒屬性的設定和修改我們將在下一節闡述。當創建執行緒成功時，函式返回0，若不為0則說明創建執行緒失敗，常見的錯誤返回代碼為EAGAIN和EINVAL。前者表示系統限制創建新的執行緒，例如執行緒數目過多了；後者表示第二個參數代表的執行緒屬性值非法。創建執行緒成功後，新創建的執行緒則運行參數三和參數四確定的函式，原來的執行緒則繼續運行下一行代碼。
函式pthread_join用來等待一個執行緒的結束。函式原型為：
extern int pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return));
第一個參數為被等待的執行緒標識符，第二個參數為一個用戶定義的指針，它可以用來存儲被等待執行緒的返回值。這個函式是一個執行緒阻塞的函式，調用它的函式將一直等待到被等待的執行緒結束為止，當函式返回時，被等待執行緒的資源被收回。一個執行緒的結束有兩種途徑，一種是象我們上面的例子一樣，函式結束了，調用它的執行緒也就結束了；另一種方式是通過函式pthread_exit來實現。它的函式原型為：
extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__));
唯一的參數是函式的返回代碼，只要pthread_join中的第二個參數thread_return不是NULL，這個值將被傳遞給thread_return。最後要說明的是，一個執行緒不能被多個執行緒等待，否則第一個接收到信號的執行緒成功返回，其餘調用pthread_join的執行緒則返回錯誤代碼ESRCH。
在這一節里，我們編寫了一個最簡單的執行緒，並掌握了最常用的三個函式pthread_create，pthread_join和pthread_exit。下面，我們來了解執行緒的一些常用屬性以及如何設定這些屬性。
3 修改執行緒的屬性
在上一節的例子裡，我們用pthread_create函式創建了一個執行緒，在這個執行緒中，我們使用了默認參數，即將該函式的第二個參數設為NULL。的確，對大多數程式來說，使用默認屬性就夠了，但我們還是有必要來了解一下執行緒的有關屬性。
屬性結構為pthread_attr_t，它同樣在頭檔案/usr/include/pthread.h中定義，喜歡追根問底的人可以自己去查看。屬性值不能直接設定，須使用相關函式進行操作，初始化的函式為pthread_attr_init，這個函式必須在pthread_create函式之前調用。屬性對象主要包括是否綁定、是否分離、堆疊地址、堆疊大小、優先權。默認的屬性為非綁定、非分離、預設1M的堆疊、與父進程同樣級別的優先權。
關於執行緒的綁定，牽涉到另外一個概念：輕進程（LWP：Light Weight Process）。輕進程可以理解為核心執行緒，它位於用戶層和系統層之間。系統對執行緒資源的分配、對執行緒的控制是通過輕進程來實現的，一個輕進程可以控制一個或多個執行緒。默認狀況下，啟動多少輕進程、哪些輕進程來控制哪些執行緒是由系統來控制的，這種狀況即稱為非綁定的。綁定狀況下，則顧名思義，即某個執行緒固定的"綁"在一個輕進程之上。被綁定的執行緒具有較高的回響速度，這是因為CPU時間片的調度是面向輕進程的，綁定的執行緒可以保證在需要的時候它總有一個輕進程可用。通過設定被綁定的輕進程的優先權和調度級可以使得綁定的執行緒滿足諸如實時反應之類的要求。
設定執行緒綁定狀態的函式為pthread_attr_setscope，它有兩個參數，第一個是指向屬性結構的指針，第二個是綁定類型，它有兩個取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（綁定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非綁定的）。下面的代碼即創建了一個綁定的執行緒。
#include <pthread.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
/*初始化屬性值，均設為默認值*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);
執行緒的分離狀態決定一個執行緒以什麼樣的方式來終止自己。在上面的例子中，我們採用了執行緒的默認屬性，即為非分離狀態，這種情況下，原有的執行緒等待創建的執行緒結束。只有當pthread_join（）函式返回時，創建的執行緒才算終止，才能釋放自己占用的系統資源。而分離執行緒不是這樣子的，它沒有被其他的執行緒所等待，自己運行結束了，執行緒也就終止了，馬上釋放系統資源。程式設計師應該根據自己的需要，選擇適當的分離狀態。設定執行緒分離狀態的函式為pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。第二個參數可選為PTHREAD_CREATE_DETACHED（分離執行緒）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分離執行緒）。這裡要注意的一點是，如果設定一個執行緒為分離執行緒，而這個執行緒運行又非常快，它很可能在pthread_create函式返回之前就終止了，它終止以後就可能將執行緒號和系統資源移交給其他的執行緒使用，這樣調用pthread_create的執行緒就得到了錯誤的執行緒號。要避免這種情況可以採取一定的同步措施，最簡單的方法之一是可以在被創建的執行緒里調用pthread_cond_timewait函式，讓這個執行緒等待一會兒，留出足夠的時間讓函式pthread_create返回。設定一段等待時間，是在多執行緒編程里常用的方法。但是注意不要使用諸如wait（）之類的函式，它們是使整個進程睡眠，並不能解決執行緒同步的問題。
另外一個可能常用的屬性是執行緒的優先權，它存放在結構sched_param中。用函式pthread_attr_getschedparam和函式pthread_attr_setschedparam進行存放，一般說來，我們總是先取優先權，對取得的值修改後再存放回去。下面即是一段簡單的例子。
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
pthread_attr_t attr;
pthread_t tid;
struct sched_param param;
int newprio=20;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_getschedparam(&attr, ¶m);
param.sched_priority=newprio;
pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m);
pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);
4 執行緒的數據處理
和進程相比，執行緒的最大優點之一是數據的共享性，各個進程共享父進程處沿襲的數據段，可以方便的獲得、修改數據。但這也給多執行緒編程帶來了許多問題。我們必須當心有多個不同的進程訪問相同的變數。許多函式是不可重入的，即同時不能運行一個函式的多個拷貝（除非使用不同的數據段）。在函式中聲明的靜態變數常常帶來問題，函式的返回值也會有問題。因為如果返回的是函式內部靜態聲明的空間的地址，則在一個執行緒調用該函式得到地址後使用該地址指向的數據時，別的執行緒可能調用此函式並修改了這一段數據。在進程中共享的變數必須用關鍵字volatile來定義，這是為了防止編譯器在最佳化時（如gcc中使用-OX參數）改變它們的使用方式。為了保護變數，我們必須使用信號量、互斥等方法來保證我們對變數的正確使用。下面，我們就逐步介紹處理執行緒數據時的有關知識。
4.1 執行緒數據
在單執行緒的程式里，有兩種基本的數據：全局變數和局部變數。但在多執行緒程式里，還有第三種數據類型：執行緒數據（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局變數很象，線上程內部，各個函式可以象使用全局變數一樣調用它，但它對執行緒外部的其它執行緒是不可見的。這種數據的必要性是顯而易見的。例如我們常見的變數errno，它返回標準的出錯信息。它顯然不能是一個局部變數，幾乎每個函式都應該可以調用它；但它又不能是一個全局變數，否則在A執行緒里輸出的很可能是B執行緒的出錯信息。要實現諸如此類的變數，我們就必須使用執行緒數據。我們為每個執行緒數據創建一個鍵，它和這個鍵相關聯，在各個執行緒里，都使用這個鍵來指代執行緒數據，但在不同的執行緒里，這個鍵代表的數據是不同的，在同一個執行緒里，它代表同樣的數據內容。
和執行緒數據相關的函式主要有4個：創建一個鍵；為一個鍵指定執行緒數據；從一個鍵讀取執行緒數據；刪除鍵。
創建鍵的函式原型為：
extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,
void (*__destr_function) (void *)));
第一個參數為指向一個鍵值的指針，第二個參數指明了一個destructor函式，如果這個參數不為空，那么當每個執行緒結束時，系統將調用這個函式來釋放綁定在這個鍵上的記憶體塊。這個函式常和函式pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用，為了讓這個鍵只被創建一次。函式pthread_once聲明一個初始化函式，第一次調用pthread_once時它執行這個函式，以後的調用將被它忽略。
在下面的例子中，我們創建一個鍵，並將它和某個數據相關聯。我們要定義一個函式createWindow，這個函式定義一個圖形視窗（數據類型為Fl_Window *，這是圖形界面開發工具FLTK中的數據類型）。由於各個執行緒都會調用這個函式，所以我們使用執行緒數據。
/* 聲明一個鍵*/
pthread_key_t myWinKey;
/* 函式 createWindow */
void createWindow ( void ) {
Fl_Window * win;
static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;
/* 調用函式createMyKey，創建鍵*/
pthread_once ( & once, createMyKey) ;
/*win指向一個新建立的視窗*/
win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");
/* 對此視窗作一些可能的設定工作，如大小、位置、名稱等*/
setWindow(win);
/* 將視窗指針值綁定在鍵myWinKey上*/
pthread_setspecific ( myWinKey, win);
}
/* 函式 createMyKey，創建一個鍵，並指定了destructor */
void createMyKey ( void ) {
pthread_key_create(&myWinKey, freeWinKey);
}
/* 函式 freeWinKey，釋放空間*/
void freeWinKey ( Fl_Window * win){
delete win;
}
這樣，在不同的執行緒中調用函式createMyWin，都可以得到線上程內部均可見的視窗變數，這個變數通過函式pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我們已經使用了函式pthread_setspecific來將執行緒數據和一個鍵綁定在一起。這兩個函式的原型如下：
extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer));
extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));
這兩個函式的參數意義和使用方法是顯而易見的。要注意的是，用pthread_setspecific為一個鍵指定新的執行緒數據時，必須自己釋放原有的執行緒數據以回收空間。這個過程函式pthread_key_delete用來刪除一個鍵，這個鍵占用的記憶體將被釋放，但同樣要注意的是，它只釋放鍵占用的記憶體，並不釋放該鍵關聯的執行緒數據所占用的記憶體資源，而且它也不會觸發函式pthread_key_create中定義的destructor函式。執行緒數據的釋放必須在釋放鍵之前完成。
4.2 互斥鎖
互斥鎖用來保證一段時間內只有一個執行緒在執行一段代碼。必要性顯而易見：假設各個執行緒向同一個檔案順序寫入數據，最後得到的結果一定是災難性的。
我們先看下面一段代碼。這是一個讀/寫程式，它們公用一個緩衝區，並且我們假定一個緩衝區只能保存一條信息。即緩衝區只有兩個狀態：有信息或沒有信息。
void reader_function ( void );
void writer_function ( void );
char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main ( void ){
pthread_t reader;
/* 定義延遲時間*/
delay./* */tv_sec = 2;
delay../* */tv_nec = 0;
/* 用默認屬性初始化一個互斥鎖對象*/
pthread_mutex_init (μtex,NULL);
pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);
writer_function( );
}
void writer_function (void){
while(1){
/* 鎖定互斥鎖*/
pthread_mutex_lock (μtex);
if (buffer_has_item==0){
buffer=make_new_item( );
buffer_has_item=1;
}
/* 打開互斥鎖*/
pthread_mutex_unlock(μtex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}
void reader_function(void){
while(1){
pthread_mutex_lock(μtex);
if(buffer_has_item==1){
consume_item(buffer);
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock(μtex);
pthread_delay_np(&delay);
}
}
這裡聲明了互斥鎖變數mutex，結構pthread_mutex_t為不公開的數據類型，其中包含一個系統分配的屬性對象。函式pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL參數表明使用默認屬性。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調用函式pthread_mutexattr_init。函式pthread_mutexattr_setpshared和函式pthread_mutexattr_settype用來設定互斥鎖屬性。前一個函式設定屬性pshared，它有兩個取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來不同進程中的執行緒同步，後者用於同步本進程的不同執行緒。在上面的例子中，我們使用的是默認屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。後者用來設定互斥鎖類型，可選的類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它們分別定義了不同的上所、解鎖機制，一般情況下，選用最後一個默認屬性。
pthread_mutex_lock聲明開始用互斥鎖上鎖，此後的代碼直至調用pthread_mutex_unlock為止，均被上鎖，即同一時間只能被一個執行緒調用執行。當一個執行緒執行到pthread_mutex_lock處時，如果該鎖此時被另一個執行緒使用，那此執行緒被阻塞，即程式將等待到另一個執行緒釋放此互斥鎖。在上面的例子中，我們使用了pthread_delay_np函式，讓執行緒睡眠一段時間，就是為了防止一個執行緒始終占據此函式。
上面的例子非常簡單，就不再介紹了，需要提出的是在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現死鎖：兩個執行緒試圖同時占用兩個資源，並按不同的次序鎖定相應的互斥鎖，例如兩個執行緒都需要鎖定互斥鎖1和互斥鎖2，a執行緒先鎖定互斥鎖1，b執行緒先鎖定互斥鎖2，這時就出現了死鎖。此時我們可以使用函式pthread_mutex_trylock，它是函式pthread_mutex_lock的非阻塞版本，當它發現死鎖不可避免時，它會返回相應的信息，程式設計師可以針對死鎖做出相應的處理。另外不同的互斥鎖類型對死鎖的處理不一樣，但最主要的還是要程式設計師自己在程式設計注意這一點。
4.3 條件變數
前一節中我們講述了如何使用互斥鎖來實現執行緒間數據的共享和通信，互斥鎖一個明顯的缺點是它只有兩種狀態：鎖定和非鎖定。而條件變數通過允許執行緒阻塞和等待另一個執行緒傳送信號的方法彌補了互斥鎖的不足，它常和互斥鎖一起使用。使用時，條件變數被用來阻塞一個執行緒，當條件不滿足時，執行緒往往解開相應的互斥鎖並等待條件發生變化。一旦其它的某個執行緒改變了條件變數，它將通知相應的條件變數喚醒一個或多個正被此條件變數阻塞的執行緒。這些執行緒將重新鎖定互斥鎖並重新測試條件是否滿足。一般說來，條件變數被用來進行執行緒間的同步。
條件變數的結構為pthread_cond_t，函式pthread_cond_init（）被用來初始化一個條件變數。它的原型為：
extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));
其中cond是一個指向結構pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個指向結構pthread_condattr_t的指針。結構pthread_condattr_t是條件變數的屬性結構，和互斥鎖一樣我們可以用它來設定條件變數是進程內可用還是進程間可用，默認值是PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此條件變數被同一進程內的各個執行緒使用。注意初始化條件變數只有未被使用時才能重新初始化或被釋放。釋放一個條件變數的函式為pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。
函式pthread_cond_wait（）使執行緒阻塞在一個條件變數上。它的函式原型為：
extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,
pthread_mutex_t *__mutex));
執行緒解開mutex指向的鎖並被條件變數cond阻塞。執行緒可以被函式pthread_cond_signal和函式pthread_cond_broadcast喚醒，但是要注意的是，條件變數只是起阻塞和喚醒執行緒的作用，具體的判斷條件還需用戶給出，例如一個變數是否為0等等，這一點我們從後面的例子中可以看到。執行緒被喚醒後，它將重新檢查判斷條件是否滿足，如果還不滿足，一般說來執行緒應該仍阻塞在這裡，被等待被下一次喚醒。這個過程一般用while語句實現。
另一個用來阻塞執行緒的函式是pthread_cond_timedwait（），它的原型為：
extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,
pthread_mutex_t *__mutex, __const struct timespec *__abstime));
它比函式pthread_cond_wait（）多了一個時間參數，經歷abstime段時間後，即使條件變數不滿足，阻塞也被解除。
函式pthread_cond_signal（）的原型為：
extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));
它用來釋放被阻塞在條件變數cond上的一個執行緒。多個執行緒阻塞在此條件變數上時，哪一個執行緒被喚醒是由執行緒的調度策略所決定的。要注意的是，必須用保護條件變數的互斥鎖來保護這個函式，否則條件滿足信號又可能在測試條件和調用pthread_cond_wait函式之間被發出，從而造成無限制的等待。下面是使用函式pthread_cond_wait（）和函式pthread_cond_signal（）的一個簡單的例子。
pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count () {
pthread_mutex_lock (&count_lock);
while(count==0)
pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);
count=count -1;
pthread_mutex_unlock (&count_lock);
}
increment_count(){
pthread_mutex_lock(&count_lock);
if(count==0)
pthread_cond_signal(&count_nonzero);
count=count+1;
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}
count值為0時，decrement函式在pthread_cond_wait處被阻塞，並打開互斥鎖count_lock。此時，當調用到函式increment_count時，pthread_cond_signal（）函式改變條件變數，告知decrement_count（）停止阻塞。讀者可以試著讓兩個執行緒分別運行這兩個函式，看看會出現什麼樣的結果。
函式pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用來喚醒所有被阻塞在條件變數cond上的執行緒。這些執行緒被喚醒後將再次競爭相應的互斥鎖，所以必須小心使用這個函式。
4.4 信號量
信號量本質上是一個非負的整數計數器，它被用來控制對公共資源的訪問。當公共資源增加時，調用函式sem_post（）增加信號量。只有當信號量值大於0時，才能使用公共資源，使用後，函式sem_wait（）減少信號量。函式sem_trywait（）和函式pthread_ mutex_trylock（）起同樣的作用，它是函式sem_wait（）的非阻塞版本。下面我們逐個介紹和信號量有關的一些函式，它們都在頭檔案/usr/include/semaphore.h中定義。
信號量的數據類型為結構sem_t，它本質上是一個長整型的數。函式sem_init（）用來初始化一個信號量。它的原型為：
extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));
sem為指向信號量結構的一個指針；pshared不為0時此信號量在進程間共享，否則只能為當前進程的所有執行緒共享；value給出了信號量的初始值。
函式sem_post( sem_t *sem )用來增加信號量的值。當有執行緒阻塞在這個信號量上時，調用這個函式會使其中的一個執行緒不在阻塞，選擇機制同樣是由執行緒的調度策略決定的。
函式sem_wait( sem_t *sem )被用來阻塞當前執行緒直到信號量sem的值大於0，解除阻塞後將sem的值減一，表明公共資源經使用後減少。函式sem_trywait ( sem_t *sem )是函式sem_wait（）的非阻塞版本，它直接將信號量sem的值減一。
函式sem_destroy(sem_t *sem)用來釋放信號量sem。
下面我們來看一個使用信號量的例子。在這個例子中，一共有4個執行緒，其中兩個執行緒負責從檔案讀取數據到公共的緩衝區，另兩個執行緒從緩衝區讀取數據作不同的處理（加和乘運算）。
/* File sem.c */
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define MAXSTACK 100
int stack[MAXSTACK];
int size=0;
sem_t sem;
/* 從檔案1.dat讀取數據，每讀一次，信號量加一*/
void ReadData1(void){
FILE *fp=fopen("1.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[0],&stack[1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*從檔案2.dat讀取數據*/
void ReadData2(void){
FILE *fp=fopen("2.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[0],&stack[1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*阻塞等待緩衝區有數據，讀取數據後，釋放空間，繼續等待*/
void HandleData1(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Plus:%d+%d=%d\n",stack[0],stack[1],
stack[0]+stack[1]);
--size;
}
}
void HandleData2(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Multiply:%d*%d=%d\n",stack[0],stack[1],
stack[0]*stack[1]);
--size;
}
}
int main(void){
pthread_t t1,t2,t3,t4;
sem_init(&sem,0,0);
pthread_create(&t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL);
pthread_create(&t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL);
pthread_create(&t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL);
pthread_create(&t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL);
/* 防止程式過早退出，讓它在此無限期等待*/
pthread_join(t1,NULL);
}
在Linux下，我們用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成執行檔sem。 我們事先編輯好數據檔案1.dat和2.dat，假設它們的內容分別為1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，我們運行sem，得到如下的結果：
Multiply:-1*-2=2
Plus:-1+-2=-3
Multiply:9*10=90
Plus:-9+-10=-19
Multiply:-7*-8=56
Plus:-5+-6=-11
Multiply:-3*-4=12
Plus:9+10=19
Plus:7+8=15
Plus:5+6=11
從中我們可以看出各個執行緒間的競爭關係。而數值並未按我們原先的順序顯示出來這是由於size這個數值被各個執行緒任意修改的緣故。這也往往是多執行緒編程要注意的問題。
5 小結
多執行緒編程是一個很有意思也很有用的技術，使用多執行緒技術的網路螞蟻是目前最常用的下載工具之一，使用多執行緒技術的grep比單執行緒的grep要快上幾倍，類似的例子還有很多。希望大家能用多執行緒技術寫出高效實用的好程式來。。
