c语言pthread线程池



這裡介紹如何在 C 語言中使用 開發多執行緒的平行化程式，用多顆 CPU 加速計算。

現在電腦的 CPU 都具備多顆核心，因此在使用 C 語言撰寫計算用的程式時，若能夠善用多核新的 CPU 進行平行運算，可以讓計算速度大幅提昇。

的 函數可以用來建立新的執行緒，並以函數指標指定子執行緒所要執行的函數，子執行緒在建立之後，就會以平行的方式執行，在子執行緒的執行期間，主執行緒還是可以正常執行自己的工作，最後主執行緒再以 函數等待子執行緒執行結束，處理後續收尾的動作。

以下是一個 pthread 的 hello world 範例程式碼：

 * child(* data) { *str = (*) data; ( i = ;i < ;++i) { printf(, str); sleep(); } pthread_exit(); } main() { pthread_t t; pthread_create(&t, , child, ); ( i = ;i < ;++i) { printf(); sleep(); } pthread_join(t, ); ; }

此程式在主執行緒中建立一個子執行緒，並將 這個字串傳遞給子執行緒，然後讓兩個執行緒同時輸出文字。

使用 編譯時，要加上 參數：

gcc hello.c hello

編譯好之後，執行之：

https://blog.gtwang.org/programming/pthread-multithreading-programming-in-c-tutorial/hello

在許多的平行化應用程式中，我們都會需要傳遞一些資料給子執行緒進行計算，而在計算完之後再將結果傳回來，而子執行緒在傳回資料時通常都會以 配置記憶體空間來存放傳回的資料，以下是一個典型的範例：

 *child( *arg) { *input = ( *) arg; *result = malloc(() * ); result[] = input[] + input[]; pthread_exit(( *) result); } main() { pthread_t t; *ret; input[] = {, }; pthread_create(&t, , child, (*) input); pthread_join(t, &ret); *result = ( *) ret; printf(, input[], input[], result[]); free(result); ; }

執行的輸出為：

1 + 2 = 3

這個程式中，子執行緒呼叫 配置了記憶體空間，而主執行緒在使用完該記憶體空間之後，負責釋放掉不再使用的記憶體。

多執行緒之間的記憶體管理其實很不方便，也很容易不小心寫錯，造成記憶體流失（memory leak）問題，若想避免這個問題，可以統一由主執行緒來管理記憶體，以下是一個範例：

 my_data { a; b; result; } my_data; *child( *arg) { my_data *data=(my_data *)arg; a = data->a; b = data->b; result = a + b; data->result = result; pthread_exit(); } main() { pthread_t t; my_data data; data.a = ; data.b = ; pthread_create(&t, , child, (*) &data); pthread_join(t, ); printf(, data.a, data.b, data.result); ; }

這個例子中，我們使用自己定義的資料結構（struct），將所有的輸入資料與輸出結果欄位都包裝在一個 中，以指標的方式傳入子執行緒中，讓子執行緒在計算完成後，將結果直接寫入 的 欄位，這樣就不需要另外配置記憶體空間，而主執行緒也可以直接取得計算結果。

在平行化的程式中，如果發生多個執行緒需要同時存取同一個位置的資料時，就有可能會因為同時存取而產生錯誤，在下面這個例子中，我們定義一個全域變數 ，用來紀錄某個量的總和，而我們希望在多個執行緒中同時計算，然後統一將加總的結果放在其中。

 counter = ; * child() { ( i = ;i < ;++i) { tmp = counter; sleep(); counter = tmp + ; printf(, counter); } pthread_exit(); } main() { pthread_t t1, t2; pthread_create(&t1, , child, ); pthread_create(&t2, , child, ); pthread_join(t1, ); pthread_join(t2, ); ; }

在這段程式碼中，我們放了兩個子執行緒，每個子執行緒用迴圈跑了三次計算，所以最後的 預期應該是 ，但由於我們將 的值取出來，計算出新的值之後在放回去，兩個子執行緒同時都這樣做的話，計算結果就會不如預期：

這個問題的解決方法就是加入一個互斥鎖（mutex），將那些不可以被多個執行緒同時執行的程式碼片段，用互斥鎖包起來，當一個執行緒執行到該處時，就會先上鎖，避免其他的執行緒進入，若其他的執行緒同時也要執行該處的程式碼時，就必須等待先前的執行緒執行完之後，才能接著進入（也就是排隊輪流使用的概念），這樣就可以避免多個執行緒混雜執行，讓結果出錯的問題。

 counter = ; pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; * child() { ( i = ;i < ;++i) { pthread_mutex_lock( &mutex1 ); tmp = counter; sleep(); counter = tmp + ; pthread_mutex_unlock( &mutex1 ); printf(, counter); } pthread_exit(); } main() { pthread_t t1, t2; pthread_create(&t1, , child, ); pthread_create(&t2, , child, ); pthread_join(t1, ); pthread_join(t2, ); ; }

在 與 之間的程式碼就是一次只容許一個執行緒執行的部份，也就是說雖然是平行化的程式，但是被包住的這部份只能以單一執行緒來執行，所以在設計程式時，要盡可能減少被互斥鎖包住的程式碼，才能讓程式執行效能更好。

如果我們現在有兩個執行緒，分別負責一份工作的前半段與後半段，也就是說第一個執行緒會把它處理好的資料，發包給第二個執行緒繼續處理，而兩個執行緒的處理速度有可能不同，這種狀況我們就可以使用旗標（Semaphore）的方式來串接。

旗標本身就是一個計數器，也就是紀錄目前尚未處理的工作數量，我們可以使用 來判斷是否有尚未處理的工作，當工作數量大於 時， 就會讓執行緒進入處理，並且把工作數量遞減 ，而如果工作數量為 的時候，則會讓執行緒等待，直到有新的工作來臨時，才讓執行緒進入。

另外在產生工作的執行緒中，可以使用 放入新的工作（也就讓將計數器遞增 ），這樣就可以將多個執行緒串接起來處理大型的工作流程。

以下是一個簡單的範例：

 sem_t semaphore; counter = ; * child() { ( i = ;i < ;++i) { sem_wait(&semaphore); printf(, ++counter); sleep(); } pthread_exit(); } main() { sem_init(&semaphore, , ); pthread_t t; pthread_create(&t, , child, ); printf(); sem_post(&semaphore); sem_post(&semaphore); sleep(); printf(); sem_post(&semaphore); sem_post(&semaphore); sem_post(&semaphore); pthread_join(t, ); ; }

在這個程式中，主執行緒負責派送工作，工作有時候多、有時候少，而子執行緒則是以每秒處理一個工作的速度，消化接收到的工作。

旗標在使用前要先以 初始化，其第二個參數是指定是否要讓其他的行程（process）共用旗標，這裡我們是單一行程、多執行緒的程式，所以第二個參數設定為 即可；第三個參數則是設定旗標的初始值。

旗標本身只是紀錄工作的數量，並且控制執行緒的執行，並沒有負責資料的配送，通常我們可以自己實做一個資料佇列（queue），配合旗標來計算索引，讓子執行緒從佇列中取得資料進行處理。

參考資料：YoLinux.com、Gribble Lab、開源筆記倉庫區、The Geek Stuff

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