谈文垒金

2009年1月14日星期三

毕业典礼（Graduate Ceremony）

（补发一些有意思的回忆……）
最具有典型意义的就是发个毕业证的壳子端着照相，拨帽穗了（将硕士帽上的穗子从一边拨到另一边），意味着正式毕业。所有的博士都是必拨的，硕士是自己选择，因为人数较多。听说过去是只有校长一个人拨，据他自己说上次拨到最后腿也木了，脸也僵了，手也麻了，完全是机械的运动。今年加上副校长，院士什么的。7个一组，校长站中间。轮到上去的时候是个院士，对话如下：

他：那个系的？
我：6系的。
他：工作找的怎么样？
我：还可以，IGT。（这是旁边一个院士插话：“他们计算机的不愁找不到工作。”囧）
他：哦，爱立信，不错不错。
我：囧rz……

2008年12月29日星期一

色彩斑斓的2008（My 2008）

2008年，无论是对国家还是个人，都是不平凡的一年。如果要用一个词形容，我能想到的就是“色彩斑斓”了。在国家来说，今年发生了太多的事情，有好事，有坏事，有些事情的影响还没有全部发酵，未来如何尚难预料。于个人来说，在即将踏上社会前的这一年，面临找工作和毕业双重压力，又适逢金融危机，经历了各种选择、彷徨和痛苦。不管怎么说，路，既然已经选定，那就应该坚定不移的走下去。国家的大事已有众多的记述，这里只是记录自己在2008的流水帐。

1月回家，运气比较好，赶在了雪灾前面，没被堵在路上。

寒假归来，得知毕设改题了：“叠前深度偏移”。六个字每个字都很简单，但连起来就愣是不知道什么意思。好处是还能用上学期学的FM算法。坏处是要完全从零开始去熟悉一个新的领域。

接下来就是痛苦的学习阶段，期间插播5月一个月都是小论文的撰写阶段，原以为简单的问题总是出不来结果，直到最后一刻才发现是个非常低级的错误。三个人里最后一个交上去的，但总算是过了。

6月份各种资料相继到手，才算开始比较正式的学习地震学方面的知识。实验室每周一次的例会鞭策下，必须保证学点东西，否则就没东西讲了。同时也开始关注找工作的事，从网上搜集面试笔试题，看看专业方向的书。憧憬一下进入理想公司之后的情景。

7月份的时候参加了一个Google的在线竞赛，8月份开始关注这方面的内容，做了很多网上练习题，占用了不少时间。实践证明这对后面的面试笔试还是比较有用的，SLB笔试中的一道题就在USACO的题库中看到过。毕竟，计算机学科还是一个实践性很强的学科。

8月份的奥运会就发生在我们身边，切切实实的感受到奥运的气氛，为国家获得的每一块奖牌而高兴，如同一部大戏，虽然早已闭幕，但仍久久回味中。

9月下旬开始，虽然还没什么大动静，但大家已经开始坐立不安了。部分公司开始进入校园宣讲，这个时候大家还比较有热情，宣讲还去听一听，到后面就连听都不听了，直接去笔试或者霸笔。

10月国庆假期一过，意味着找工作的大幕正式拉开。经历了SLB宣讲会上人山人海的恐怖场景，被Google和MS等大公司接连鄙视。也为几个小offer而辗转反侧。在整个过程中自己的目标也逐渐明细，简历投递的倾向性日渐明显。

进入11月，仿佛一阵寒风吹过，不好的消息接连传来，缩招、冻结、裁员……这些词汇不断出现。原本以为遥不可及的金融危机被我们最先体会到了，同时还心存一次侥幸：这些公司怎么说也是大公司，应该会未雨绸缪吧。可事实上证明我们错了，不是所有的公司都喜欢用低廉的新员工代替老员工来降低成本的。原来当保底的现在也一下变得高贵起来，在一堆简历中扒拉来扒拉去，精挑细选。身为被挑选者的我们，也只能忍气吞声，形势比人强，今年这个年景，人出来招就不错了。更多的公司是把招聘会当成了走过场，还听说有公司笔试完后直接把卷子扔掉的。在外企普遍萎靡的情况下，国企、公务员成了大家最后的避风港，可不知为何，对此心中总有些排斥。估计是身在学校，以前也跟里面的人合作过的缘故，对里面的氛围总有些疲惫，担心进去后就出不来了。所以对这方面的准备也不太上心，不上心的后果就是没收获。

12月，找工作和毕设都进入了最后的冲刺阶段。这是北航相比于其他学校的另一个劣势：当别人可以专心一致的找工作，把每次笔试的题目总结总结，吸收经验，迎接下一次考试的时候，我们还得分出一半的精力做毕设，脑子得在两种不同的思维中来回切换，不知道当初政策指定者们是怎么想的。

工作的最后确定也比较具有戏剧性，找工作伊始是完全没有想到自己最后会签这的，热情的hr一次一次的电话，说服心中疑虑，并给出宽松的考虑时间和有吸引力的待遇。心中向往的是另一家公司，可惜最后等来的确是冰冷的“冻结”二字，只能说是无缘了。看好这边的前景是最后下定决心的依据，虽然风险依然存在，但觉得这样的风险尚在可接受的范围之内。趁着年轻多历练历练未尝不是件好事。

工作定了之后，毕设就全力以赴了。熬了近半个月的夜，把以前没解决的问题都解决了，基本上做到了不留遗憾，对得起自己这两年的努力。

其他方面，年初拿了驾照，游泳也一直在坚持着。现在基本上四大泳姿都没问题，肺活量也有长进。

2008年是我的本命年，回顾一年的历程，应该说还是比较幸运的。学习上两次重要的时刻都是在最后时刻得到了结果，找工作在今年的大环境下也应该是不算差了，没有留下什么大的遗憾。

2009年是工作的第一年，作为一个职场新人，最大的目标就是工作顺利上手，学到新东西，增强自身的竞争力，尽快做到从学校到社会的转变。

2008年12月25日星期四

圣诞节，答辩日（Oral Dissertation Defense on Christmas Day）

不知道是刻意安排还是巧合，研究生答辩竟然安排在圣诞节这天。回忆论文完成前的这一个月，感觉真是不容易啊。虽然11月21日的时候，论文的大致框架就出来了。后来基本上就在这个基础上面改的。但具体到内容的充实上，那就费了老牛鼻子劲了，这是当初所没有想到的。

12月初，进入论文撰写的关键阶段，同时也进入了找工作的决定时期。连续参加了多个单位的笔试和面试，纠结于各种选择之中。为工作的事影响心情，一天没进展的情况出现了多次。最后下定决心的时候已经是17日了。

12月10日开始重新开始打通各章，11日顺完第一章，12日顺完第二章，15-17日整个顺完。2、7、3、2、3、4，这是那几天的熬夜时间。当时也没想到这是后面一段时间系统性熬夜的开始。顺完全文，正想松一口气的时候，18日分组出来，真个晴天霹雳——我们竟然被分在了“尹刀”的组里，他答辩时一向以严格著称，去年直接把两个去Morgen Stanly的挂了延期。看着群里面同学纷纷庆祝自己的分组，心里郁闷有谁知啊。得，继续熬吧。又是一个通宵，准备PPT和送审稿。熬夜的时候发现楼里很多屋子的灯都是亮着的，看来同志们不少啊。

新的一周开始，进入倒计时状态，改PPT和答辩词。24日，答辩前一天的预答辩，始终有个问题没有想好。如同魔术师手中那个圆环的缺口，表演的时候需要拿在手中，不能让观众发现。预答辩的时候也向老师谈到了这个问题，老师指示还是要把他弄出来，不能留遗憾到答辩中。晚上神力加身，连续解决了多个问题，竟然把这个困扰我俩月的问题解决了。回过头来看，这个问题还是一个很简单的问题。用老师的话说，就是“工作作风”问题。（估计这个反面示例要被老师说上一届又一届，sigh～）虽说又熬到两点，但总算是把自己的最大一块心病给去了，对第二天的答辩充满了信心。

真到了答辩那天，就不紧张了，估计是因为心里有底了吧。一上来尹刀就显得不同反响：“虽然学校建议答辩时间是15分钟，但我们不接受这个建议。每个人10分钟！足够把你做的东西讲清楚了。”好在我们当初就对这种情况有准备，PPT都是按照10分钟准备的。虽然又面对顺序的临时调整，但还是把自己的工作说清楚了，老师也没怎么难为。到了下午，看完演示，结果揭晓的时候到来了。大家站在外面，一个一个的进去听结果，我是倒数第三个。当从答辩主席的口中听到“……达到了硕士标准，准许毕业。”的时候，心中真是长舒了一口气，两年半的学习生活算是画上了一个圆满的句号。晚上从答辩秘书那里知道我竟然在小组里排名第一。

感谢孟导，如果不是他把时间安排在了周四，估计跟现在就是截然不同的两个结果了。感谢导师最后的时刻推了我一把，没有让我带着遗憾毕业。还有感谢同窗好友们，大家一块通宵之后去吃早饭，走在学校的路上的情景现在还历历在目。

2008年11月29日星期六

研究生必读——如何获取文献（zz）

搞研究的人离不开文献，一下是获得最新专业资料的一些途径：

注意积累，没事干的时候到全国各地的图书馆网站逛逛，肯定有很多收获！使用一些网络书签服务如： delicious ，diigo 也是非常不错的选择，这里是大众筛选后的精华结果,而且，从书签信息中可以找到收藏、关注这些信息的研究者和爱好者，这些关键节点后对学习、交流会更加有帮助。
http://delicious.com
http://www.diigo.com/

*根据作者E-mail地址，向作者索要。

这是最有效的方法之一，可以直接向作者索取原文，但一定要简洁！如果作者有自
己的主页，可以去作者的主页看看。不过一般查找作者的主页倒不容易！记住信箱尽量
大一点，否则一些大的文件搞不定！

Dear Mr./Mrs.: ________（Author name）

I am a graduate student of XXX（您的学校） in China. I major in "__
______"（您的专业）. Recently, I found one of your articles, titled &qu
ot;__________" （Title）in XXX(). I found it may help me achieve my goa
ls in this research field. This would make a really positive contribution to
my work. I would like to be able to read the full text of this article. The
abstract makes the article sound very interesting. I know there is usually
a fee required to obtain the full article from XXX; however, as a student, m
y only income is a small scholarship which is about U S $30.00 per month. I
wonder if you would consider sending me the full text by Email. Perhaps you
would consider this as an act of friendship between our two countries.

Thank you for your kind consideration of this request.

Sincerely: ___________（your name）

My Email address is: ____________________ （your email）

Date：Month/day/year

*利用一些软件NoteExpress，reference manager等等

这些软件的demo版本网络里面都可以有下载，一般自己会收录一些引擎，不妨自己
试一试，而且作学术这些软件至少要有些了解啦！

NoteExpress 简明教程下载地址：
http://www.scinote.com/supportcn/noncgi/at...NoteExpress.rar

免费下载地址：
http://www.scinote.com/support/cgi-bin/download_chs.cgi

*利用搜索引擎：

英文采用著名的搜索引擎，如Lycos，HotBot，Yahoo，输入详细的关键词（一定要具有特征性，防止搜索出太多的东西），末尾加PDF可能效果更好些。要是觉得不方便就到www.5566.org进入后点搜索，里面收集了十多个引擎，足够你查的，不过一般百度和google比较好！Lycos也不错。关键词很重要，要掌握一些技巧，否则不是漏检就是眼前是个文件的海洋，捞不到针！

下面补充一些重要的学术引擎：

综合通用

英文
AltaVista＞http://www.altavista.com
LYCOS ＞http://www.lycos.com
YAHOO! ＞http://www.yahoo.com
EXCITE ＞http://www.excite.com
INFOSEEK ＞http://www.infoseek.com
HOTBOT ＞http://www.hotbot.com
EVLAST ＞http://www.evlast.com
GALAXY ＞http://www.galaxy.com
NORTHERNLIGHT ＞http://www.northernlight.com
OPENTEXT ＞http://pinstripe.opentext.com

中文
Sohu ＞http://www.sohu.com
Yahoo>http://www.yahoo.com.cn

综合科技
Scicentral & SciQuest ＞http://www.sciquest.com
Martindale’srefrence ＞http://www-sci.lib.uci.edu/HSG/REF.html
EEVL ＞http://www.eevl.ac.uk

英文期刊的搜索可以用 citeseer来搜.他有很多相关性比较和引用.很不错.

* 按部就班，根据文章出处，去图书馆查找原文。

这个自然不用多说，大家都会。

*付费中文全文数据库

中文文献，大多需要买。中文文献价值一般欠高！不建议个人购买！（个人意见）

万方数据库（万方系统中有1000余种电子期刊，以理工科技类为主，全部是国内出版的中文和英文期刊，比印刷版略晚。CNKI、999都是全文，花钱吧就没价值了。这里面查的时候注意到里面分为很多小的库，不要漏查！很多可以直接得到文字资料，但很多没有全文，尤其是一些镜像站点的库！

CNKI（CNKI：中国期刊网提供三种类型的数据库，题录数据库、题录摘要数据库和全文数据库，其中前两者属参考数据库类型，只提供目次和摘要，可在网上免费检索，全文数据库需付费。）中“期刊题录数据库”是免费的。和重庆维普资讯公司有一定的相似性，但是看起来舒服一些，一般是近年来的。没有重庆维普资讯公司的年代久！查的时候还有重复文献。可以识别得到文字资料，英文的或者一些符号会有错误要自己修改。

重庆维普资讯公司（收录有中文报纸1000种,中文期刊12000种,外文期刊4000种,拥有固定客户2000余家。维普有两种注册用户，一种是可以查阅全文的，这种是要收费的。另外就是一般注册用户，是使用免费资源的，比如全文检索，讨论版等等。收费用户中采用包库方式的机构用户或个人，我们将在年末附送期所包库的光盘版作为保存用。流量计费的用户在累计一定金额后，我们将增送使用时间或是光盘版。同时提高其会员级别，将获得更优惠的使用费用。）可以识别得到文字资料，英文的或者一些符号会有错误要自己修改。

超星图书馆（若要文章，可通过超星图书馆，从网易上下载超星图书馆专用下载器即可免费下载了！极好！您可免费下载十万种书，否则你也可以直接阅读。）有些学校购买过就不要钱。一般书比较大，建议有用的可以刻光盘！

联合参考：http://219.137.192.247/
完全免费，万方、超星、维普都有。

这里只是介绍几个常用的啦！还有很多规模没有这么大，但是也很好。

*Science网上杂志找文章。对中国人完全免费！

High Wire Press 网站，斯坦复大学主办，文献量十分大，而且free!斯坦福大学HighWire出版社的电子期刊斯坦福大学HighWire Press是著名的学术出版商，目前已成为全世界最大的、能够联机提供免费学术论文全文的出版商之一。它提供免费检索目次和摘要的期刊为192种，主要包括物理、生物、医学和社会学领域的核心期刊，其中有90种可以得到全文。该站点上列出了所有可供检索的期刊名称，右边标识为free site的期刊是完全免费的期刊，可以看到数据库里任意卷期的全文；标识为free trail的期刊是免费试用的期刊，在一段试用期内可以免费得到期刊全文；标识为free issues的期刊是指不能看到最新出版卷期的论文，但可以回溯几个月以前或1到2年以前所有的过刊文章。http://intl.highwire.org/Medline 就可以买到原文，价钱很贵呀。

到一些高校尤其是211重点高校的同学那里求得帮助。

现在网络很方便，只要在这些学校内部的网络上一般可以下载很多有用的全文，可
以先到相关大学的图书馆看看都有什么数据库。朋友多也是件很好的事情，虽然世界人
与人变得比较远，可是朋友却越来越重要啊！

*到一些论坛寻求帮助

中科院和一些比较大的牛的高校（北大、清华、南大、复旦等等啦！），去那里和
牛人们交流寻求帮助，一定大有裨益！不信你试试看！

精品网站汇总

从网上搜集整理的一些好的网站，当我们被忙碌生活所累，只知道低头赶路的时候，记得头顶上还有一片广阔的蓝天。

编程技术与面试题：
C++
C++专题站，代码很多很全，可以直接拿来用。

TechPreparation
很多笔试面试题的集锦。

在线编程类（Judge Online）：
USACO
大名鼎鼎的USACO，面向美国高中生OI的。非常适合入门级，循序渐进，每道题都有答案，每章还有讲解，从中收获很大。

Timus Online Judge
USACO全做完之后的进阶网站，是俄罗斯的大学开办的。俄罗斯是一个盛产高手、黑客的地方，编程水平自不待言。

PKU JudgeOnline
ZJU JudgeOnline
国内的两个比较有名的在线测试网站，前一个是北京大学的，后一个是浙江大学的，里面卧虎藏龙，高手无数。如果能把里面所有题都做出来那就是当之无愧的高手了。

TopCoder
目前最红火的商业性质的在线网站，不单可以做题，没隔一周还有大型的在线测试，前几名有奖金可能。另外竞赛类型也丰富多样，有很多商机。

Project Euler
用编程来解决一系列数学/编程问题，支持python。目前有210道题，每道题后面有解决了这道题的人数，从几十到数万不等。据说所有题目都有运行时间在1分钟之内的算法，也有高手只用笔和纸就能解决。
Python Challenge
另一个python练习网站。
Code Golf
看谁的代码用得字符最少，在这方面python与perl/ruby还是有点差距的。

Google Summer Code
Google Code Jam

在线视频类：
Stanford Engineering Everywhere

斯坦福大学的全套视频。课程包括
Introduction to Computer Science
Programming Methodology CS106A
Programming Abstractions CS106B
Programming Paradigms CS107

Artificial Intelligence
Introduction to Robotics CS223A
Natural Language Processing CS224N
Machine Learning CS229

Linear Systems and Optimization
The Fourier Transform and its Applications EE261
Introduction to Linear Dynamical Systems EE263
Convex Optimization I EE364A
Convex Optimization II EE364B

其他：
Joel on Software
以辛辣诙谐的言语品评程序员这个行业。中文版的有《Joel说软件》等。

Edubuntu China
目标是用开源软件代替学校中用到的所有的Mircrosoft软件。

译言
由群众动手，翻译很多外网文章，提供看问题的多个角度，不乏精品，有兴趣的话还可以提高下英文。

在准备 SICP 的过程中, 我发现了不少好的资源, 觉得不推荐给大家可惜, 因此不敢藏私, 直接拿出来和大家共享吧 :)

ACM Classic Books Series
ACM 根据很多会员的投票选出的一些经典的计算机科学著作, 大部分都是有全文的。

ACM Turing Award Lectures
历届图灵奖获得者发表的获奖论文, 都很浅显易懂, 也是计算机领域大牛的前瞻和回顾的文章。

Yappr
英文视频网站，中英文字幕都有，练听力比较好，

2008年11月20日星期四

Linux下的C编程实战――驱动程序设计（zz）

1.引言
设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，它为应用程序屏蔽硬件的细节，一般来说，Linux的设备驱动程序需要完成如下功能：
（1）初始化设备；
（2）提供各类设备服务；
（3）负责内核和设备之间的数据交换；
（4）检测和处理设备工作过程中出现的错误。
妙不可言的是，Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。本系列文章的第2章文件系统编程中已经看到了这些函数的真面目，它们就是open ()、close ()、read ()、write () 等。
Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备（当然网络设备及USB等其它设备的驱动编写方法又稍有不同）。这两类设备的不同点在于：在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，而块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备主要针对磁盘等慢速设备。以字符设备的驱动较为简单，因此本章主要阐述字符设备的驱动编写。

2.驱动模块函数
init 函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备。假设有一字符设备“exampledev”，则其init函数为：


void exampledev_init(void)
{
  if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " exampledev ", &exampledev_fops))
    TRACE_TXT("Device exampledev driver registered error");
  else
    TRACE_TXT("Device exampledev driver registered successfully");
  …//设备初始化
}

其中，register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号,“exampledev”为设备名，exampledev_fops为包含基本函数入口点的结构体，类型为file_operations。当执行exampledev_init时，它将调用内核函数register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。

file_operations结构体定义为：

struct file_operations
{
int (*lseek)();
int (*read)();
int (*write)();
int (*readdir)();
int (*select)();
int (*ioctl)();
int (*mmap)();
int (*open)();
void(*release)();
int (*fsync)();
int (*fasync)();
int (*check_media_change)();
void(*revalidate)();
};

大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分，对于驱动程序中无需提供的功能，只需要把相应位置的值设为NULL。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()。

open()函数　对设备特殊文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open () 函数：

int open(struct inode * inode ,struct file * file);

其中参数inode为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针，参数file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功，负数表示存在错误) 等；

release()函数　当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的release () 函数：

void release (struct inode * inode ,struct file * file) ;

release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。

read()函数　当对设备特殊文件进行read() 系统调用时，将调用驱动程序read() 函数：

void read(struct inode * inode ,struct file * file ,char * buf ,int count) ;

参数buf是指向用户空间缓冲区的指针，由用户进程给出，count 为用户进程要求读取的字节数，也由用户给出。

read() 函数的功能就是从硬设备或内核内存中读取或复制count个字节到buf 指定的缓冲区中。在复制数据时要注意，驱动程序运行在内核中，而buf指定的缓冲区在用户内存区中，是不能直接在内核中访问使用的，因此，必须使用特殊的复制函数来完成复制工作，这些函数在中定义：

void put_user_byte (char data_byte ,char * u_addr) ;
void put_user_word (short data_word ,short * u_addr) ;
void put_user_long(long data_long ,long * u_addr) ;
void memcpy_tofs (void * u_addr ,void * k_addr ,unsigned long cnt) ;

参数u_addr为用户空间地址，k_addr 为内核空间地址，cnt为字节数。

write( ) 函数　当设备特殊文件进行write () 系统调用时，将调用驱动程序的write () 函数：

void write (struct inode * inode ,struct file * file ,char * buf ,int count) ;

write ()的功能是将参数buf 指定的缓冲区中的count 个字节内容复制到硬件或内核内存中，和read() 一样，复制工作也需要由特殊函数来完成：

unsigned char_get_user_byte (char * u_addr) ;
unsigned char_get_user_word (short * u_addr) ;
unsigned char_get_user_long(long * u_addr) ;
unsigned memcpy_fromfs(void * k_addr ,void * u_addr ,unsigned long cnt) ;

ioctl() 函数　该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型为：

int ioctl (struct inode * inode ,struct file * file ,unsigned int cmd ,unsigned long arg);

参数cmd为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，参数arg 为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。

同样，在驱动程序中，这些函数的定义也必须符合命名规则，按照本文约定，设备“exampledev”的驱动程序的这些函数应分别命名为

exampledev_open、exampledev_ release、exampledev_read、exampledev_write、exampledev_ioctl，因此设备“exampledev”的基本入口点

结构变量exampledev_fops 赋值如下：

struct file_operations exampledev_fops {
　NULL ,
　exampledev_read ,
　exampledev_write ,
　NULL ,
　NULL ,
　exampledev_ioctl ,
　NULL ,
　exampledev_open ,
　exampledev_release ,
　NULL ,
　NULL ,
　NULL ,
　NULL
} ;

3.内存分配

由于Linux驱动程序在内核中运行，因此在设备驱动程序需要申请/释放内存时，不能使用用户级的malloc/free函数，而需由内核级的函数kmalloc/kfree () 来实现，kmalloc()函数的原型为：

void kmalloc (size_t size ,int priority);

参数size为申请分配内存的字节数；参数priority说明若kmalloc()不能马上分配内存时用户进程要采用的动作：GFP_KERNEL 表示等待，即等kmalloc()函数将一些内存安排到交换区来满足你的内存需要，GFP_ATOMIC 表示不等待，如不能立即分配到内存则返回0 值；函数的返回值指向已分配内存的起始地址，出错时，返回0。

kmalloc ()分配的内存需用kfree()函数来释放，kfree ()被定义为：

# define kfree (n) kfree_s( (n) ,0)

其中kfree_s () 函数原型为：

void kfree_s (void * ptr ,int size);

参数ptr为kmalloc()返回的已分配内存的指针，size是要释放内存的字节数，若为0 时，由内核自动确定内存的大小。

4.中断

许多设备涉及到中断操作，因此，在这样的设备的驱动程序中需要对硬件产生的中断请求提供中断服务程序。与注册基本入口点一样，驱动程序也要请求内核将特定的中断请求和中断服务程序联系在一起。在Linux中，用request_irq()函数来实现请求：

int request_irq (unsigned int irq ,void( * handler) int ,unsigned long type ,char * name);

参数irq为要中断请求号，参数handler为指向中断服务程序的指针，参数type 用来确定是正常中断还是快速中断（正常中断指中断服务子程序返回后，内核可以执行调度程序来确定将运行哪一个进程；而快速中断是指中断服务子程序返回后，立即执行被中断程序，正常中断type 取值为0 ，快速中断type 取值为SA_INTERRUPT），参数name是设备驱动程序的名称。

梦想与现实的落差，就是我们离成功的距离~

Linux下的C编程实战――“线程”控制与“线程”通信编程（zz）

1.Linux“线程”
笔者曾经在《基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计》（《软件报》2006年第5~12期）中详细叙述了进程和线程的区别，并曾经说明Linux是一种“多进程单线程”的操作系统。Linux本身只有进程的概念，而其所谓的“线程”本质上在内核里仍然是进程。大家知道，进程是资源分配的单位，同一进程中的多个线程共享该进程的资源（如作为共享内存的全局变量）。Linux中所谓的“线程”只是在被创建的时候“克隆”(clone)了父进程的资源，因此，clone出来的进程表现为“线程”，这一点一定要弄清楚。因此，Linux“线程”这个概念只有在打冒号的情况下才是最准确的，可惜的是几乎没有书籍留心去强调这一点。

Linux内核只提供了轻量进程的支持，未实现线程模型，但Linux尽最大努力优化了进程的调度开销，这在一定程度上弥补无线程的缺陷。Linux用一个核心进程（轻量进程）对应一个线程，将线程调度等同于进程调度，交给核心完成。目前Linux中最流行的线程机制为LinuxThreads，所采用的就是线程－进程“一对一”模型，调度交给核心，而在用户级实现一个包括信号处理在内的线程管理机制。LinuxThreads由Xavier Leroy (Xavier.Leroy@inria.fr)负责开发完成，并已绑定在GLIBC中发行，它实现了一种BiCapitalized面向Linux的Posix 1003.1c “pthread”标准接口。Linuxthread可以支持Intel、Alpha、MIPS等平台上的多处理器系统。按照POSIX 1003.1c 标准编写的程序与Linuxthread 库相链接即可支持Linux平台上的多线程，在程序中需包含头文件pthread. h，在编译链接时使用命令：

gcc -D -REENTRANT -lpthread xxx. c

其中-REENTRANT宏使得相关库函数(如stdio.h、errno.h中函数) 是可重入的、线程安全的(thread-safe)，-lpthread则意味着链接库目录下的libpthread.a或libpthread.so文件。使用Linuxthread库需要2.0以上版本的Linux内核及相应版本的C库(libc 5.2.18、libc 5.4.12、libc 6)。

2.“线程”控制

线程创建

进程被创建时，系统会为其创建一个主线程，而要在进程中创建新的线程，则可以调用pthread_create：

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

start_routine为新线程的入口函数，arg为传递给start_routine的参数。

每个线程都有自己的线程ID，以便在进程内区分。线程ID在pthread_create调用时回返给创建线程的调用者；一个线程也可以在创建后使用pthread_self()调用获取自己的线程ID：
pthread_self (void) ;

线程退出

线程的退出方式有三：
（1）执行完成后隐式退出；
（2）由线程本身显示调用pthread_exit 函数退出；pthread_exit (void * retval) ;
（3）被其他线程用pthread_cance函数终止：pthread_cance (pthread_t thread) ;
在某线程中调用此函数，可以终止由参数thread 指定的线程。
如果一个线程要等待另一个线程的终止，可以使用pthread_join函数，该函数的作用是调用pthread_join的线程将被挂起直到线程ID为参数

thread的线程终止：

pthread_join (pthread_t thread, void** threadreturn);

3.线程通信

线程互斥

互斥意味着“排它”，即两个线程不能同时进入被互斥保护的代码。Linux下可以通过pthread_mutex_t 定义互斥体机制完成多线程的互斥操作，该机制的作用是对某个需要互斥的部分，在进入时先得到互斥体，如果没有得到互斥体，表明互斥部分被其它线程拥有，此时欲获取互斥体的线程阻塞，直到拥有该互斥体的线程完成互斥部分的操作为止。

下面的代码实现了对共享全局变量x 用互斥体mutex 进行保护的目的：

int x; // 进程中的全局变量
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //按缺省的属性初始化互斥体变量mutex
pthread_mutex_lock(&mutex); // 给互斥体变量加锁
… //对变量x 的操作
phtread_mutex_unlock(&mutex); // 给互斥体变量解除锁

线程同步
同步就是线程等待某个事件的发生。只有当等待的事件发生线程才继续执行，否则线程挂起并放弃处理器。当多个线程协作时，相互作用的任务必须在一定的条件下同步。

Linux下的C语言编程有多种线程同步机制，最典型的是条件变量(condition variable)。pthread_cond_init用来创建一个条件变量，其函数原型为：

pthread_cond_init (pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait用来等待条件变量被设置，值得注意的是这两个等待调用需要一个已经上锁的互斥体mutex，这是为了防止在真正进入等待状态之前别的线程有可能设置该条件变量而产生竞争。pthread_cond_wait的函数原型为：
pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

pthread_cond_broadcast用于设置条件变量，即使得事件发生，这样等待该事件的线程将不再阻塞：
pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *cond) ;
pthread_cond_signal则用于解除某一个等待线程的阻塞状态：
pthread_cond_signal (pthread_cond_t *cond) ;
pthread_cond_destroy 则用于释放一个条件变量的资源。

在头文件semaphore.h 中定义的信号量则完成了互斥体和条件变量的封装，按照多线程程序设计中访问控制机制，控制对资源的同步访问，提供程序设计人员更方便的调用接口。

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);

这个函数初始化一个信号量sem 的值为val，参数pshared 是共享属性控制，表明是否在进程间共享。

sem_wait(sem_t *sem);

调用该函数时，若sem为无状态，调用线程阻塞，等待信号量sem值增加(post )成为有信号状态；若sem为有状态，调用线程顺序执行，但信号量的值减一。

sem_post(sem_t *sem);

调用该函数，信号量sem的值增加，可以从无信号状态变为有信号状态。

4.实例

下面我们还是以著名的生产者/消费者问题为例来阐述Linux线程的控制和通信。一组生产者线程与一组消费者线程通过缓冲区发生联系。生产者线程将生产的产品送入缓冲区，消费者线程则从中取出产品。缓冲区有N 个，是一个环形的缓冲池。


#include 
#include 
#define BUFFER_SIZE 16 // 缓冲区数量

struct prodcons
{
  // 缓冲区相关数据结构
  int buffer[BUFFER_SIZE]; /* 实际数据存放的数组*/
  pthread_mutex_t lock; /* 互斥体lock 用于对缓冲区的互斥操作 */
  int readpos, writepos; /* 读写指针*/
  pthread_cond_t notempty; /* 缓冲区非空的条件变量 */
  pthread_cond_t notfull; /* 缓冲区未满的条件变量 */
};

/* 初始化缓冲区结构 */
void init(struct prodcons *b)
{
  pthread_mutex_init(&b->lock, NULL);
  pthread_cond_init(&b->notempty, NULL);
  pthread_cond_init(&b->notfull, NULL);
  b->readpos = 0;
  b->writepos = 0;
}

/* 将产品放入缓冲区,这里是存入一个整数*/
void put(struct prodcons *b, int data)
{
  pthread_mutex_lock(&b->lock);
  /* 等待缓冲区未满*/
  if ((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos)
  {
    pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock);
  }
  /* 写数据,并移动指针 */
  b->buffer[b->writepos] = data;
  b->writepos++;
  if (b->writepos >  = BUFFER_SIZE)
    b->writepos = 0;

  /* 设置缓冲区非空的条件变量*/
  pthread_cond_signal(&b->notempty);
  pthread_mutex_unlock(&b->lock);
}

/* 从缓冲区中取出整数*/
int get(struct prodcons *b)
{
  int data;
  pthread_mutex_lock(&b->lock);

  /* 等待缓冲区非空*/
  if (b->writepos == b->readpos)
  {
    pthread_cond_wait(&b->notempty, &b->lock);
  }

  /* 读数据,移动读指针*/
  data = b->buffer[b->readpos];
  b->readpos++;
  if (b->readpos >  = BUFFER_SIZE)
    b->readpos = 0;

  /* 设置缓冲区未满的条件变量*/
  pthread_cond_signal(&b->notfull);
  pthread_mutex_unlock(&b->lock);
  return data;
}

/* 测试:生产者线程将1 到10000 的整数送入缓冲区,消费者线程从缓冲区中获取整数,两者都打印信息*/

#define OVER ( - 1)

struct prodcons buffer;

void *producer(void *data)
{
  int n;
  for (n = 0; n < 10000; n++)
  {
    printf("%d --->\n", n);
    put(&buffer, n);
  } put(&buffer, OVER);

  return NULL;
}

void *consumer(void *data)
{
  int d;
  while (1)
  {
    d = get(&buffer);
    if (d == OVER)
      break;
    printf("--->%d \n", d);
  }
  return NULL;
}

int main(void)
{
  pthread_t th_a, th_b;
  void *retval;
  init(&buffer);

  /* 创建生产者和消费者线程*/
  pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);
  pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);
  /* 等待两个线程结束*/
  pthread_join(th_a, &retval);
  pthread_join(th_b, &retval);
  return 0;
}

5.WIN32、VxWorks、Linux线程类比

目前为止，笔者已经创作了《基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计》（《软件报》2006年5~12期连载）、《深入浅出Win32多线程程序设计》（天极网技术专题）系列，我们来找出这两个系列文章与本文的共通点。
看待技术问题要瞄准其本质，不管是Linux、VxWorks还是WIN32，其涉及到多线程的部分都是那些内容，无非就是线程控制和线程通信，它们的许多函数只是名称不同，其实质含义是等价的，下面我们来列个三大操作系统共同点详细表单：

事项
WIN32
VxWorks
Linux

线程创建
CreateThread
taskSpawn
pthread_create

线程终止
执行完成后退出；线程自身调用ExitThread 函数即终止自己；被其他线程调用函数TerminateThread函数
执行完成后退出；由线程本身调用exit退出；被其他线程调用函数taskDelete终止
执行完成后退出；由线程本身调用pthread_exit 退出；被其他线程调用函数pthread_cance终止

获取线程ID
GetCurrentThreadId
taskIdSelf
pthread_self

创建互斥
CreateMutex
semMCreate
pthread_mutex_init

获取互斥
WaitForSingleObject、

WaitForMultipleObjects
semTake
pthread_mutex_lock

释放互斥
ReleaseMutex
semGive
phtread_mutex_unlock

创建信号量
CreateSemaphore
semBCreate、semCCreate
sem_init

等待信号量
WaitForSingleObject
semTake
sem_wait

释放信号量
ReleaseSemaphore
semGive
sem_post

6.小结
本章讲述了Linux下多线程的控制及线程间通信编程方法，给出了一个生产者/消费者的实例，并将Linux的多线程与WIN32、VxWorks多线程进行了类比，总结了一般规律。鉴于多线程编程已成为开发并发应用程序的主流方法，学好本章的意义也便不言自明。

Linux的进程间通信（zz）

Linux的进程间通信（IPC，InterProcess Communication）通信方法有管道、消息队列、共享内存、信号量、套接口等。管道分为有名管道和无名管道，无名管道只能用于亲属进程之间的通信，而有名管道则可用于无亲属关系的进程之间。


#define INPUT 0
#define OUTPUT 1
void main()
{
 int file_descriptors[2];
 /*定义子进程号 */
 pid_t pid;
 char buf[BUFFER_LEN];
 int returned_count;

 /*创建无名管道*/
 pipe(file_descriptors);

 /*创建子进程*/
 if ((pid = fork()) ==  - 1)
 {
  printf("Error in fork\n");
  exit(1);
 }

 /*执行子进程*/
 if (pid == 0)
 {
  printf("in the spawned (child) process...\n");

  /*子进程向父进程写数据，关闭管道的读端*/
  close(file_descriptors[INPUT]);
  write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));
  exit(0);
 }
 else
 {
  /*执行父进程*/
  printf("in the spawning (parent) process...\n");

  /*父进程从管道读取子进程写的数据，关闭管道的写端*/
  close(file_descriptors[OUTPUT]);

  returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf));
  printf("%d bytes of data received from spawned process: %s\n",
  returned_count, buf);
 }
}

上述程序中，无名管道以
int pipe(int filedis[2]);
方式定义，参数filedis返回两个文件描述符filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开，filedes[1]的输出是filedes[0]的输入；
在Linux系统下，有名管道可由两种方式创建（假设创建一个名为“fifoexample”的有名管道）：
（1）mkfifo("fifoexample","rw");
（2）mknod fifoexample p
mkfifo是一个函数，mknod是一个系统调用，即我们可以在shell下输出上述命令。

有名管道创建后，我们可以像读写文件一样读写之：


/* 进程一：读有名管道*/
void main()
{
 FILE *in_file;
 int count = 1;
 char buf[BUFFER_LEN];
 in_file = fopen("pipeexample", "r");
 if (in_file == NULL)
 {
  printf("Error in fdopen.\n");
  exit(1);
 }
 while ((count = fread(buf, 1, BUFFER_LEN, in_file)) > 0)
  printf("received from pipe: %s\n", buf);
 fclose(in_file);
}

/* 进程二：写有名管道*/
void main()
{
 FILE *out_file;
 int count = 1;
 char buf[BUFFER_LEN];
 out_file = fopen("pipeexample", "w");
 if (out_file == NULL)
 {
  printf("Error opening pipe.");
  exit(1);
 }
 sprintf(buf, "this is test data for the named pipe example\n");
 fwrite(buf, 1, BUFFER_LEN, out_file);
 fclose(out_file);
}

消息队列用于运行于同一台机器上的进程间通信，与管道相似；
共享内存通常由一个进程创建，其余进程对这块内存区进行读写。得到共享内存有两种方式：映射/dev/mem设备和内存映像文件。前一种方式
不给系统带来额外的开销，但在现实中并不常用，因为它控制存取的是实际的物理内存；常用的方式是通过shmXXX函数族来实现共享内存：
int shmget(key_t key, int size, int flag);　/* 获得一个共享存储标识符 */
该函数使得系统分配size大小的内存用作共享内存；
void *shmat(int shmid, void *addr, int flag); /* 将共享内存连接到自身地址空间中*/
shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址。此后，进程可以对此地址进行读写操作访问共享内存。

本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：
（1）测试控制该资源的信号量；
（2）若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源，进程将进号量减1；
（3）若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）；
（4）当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1，如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。

下面是一个使用信号量的例子，该程序创建一个特定的IPC结构的关键字和一个信号量，建立此信号量的索引，修改索引指向的信号量的值，最后清除信号量：


#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>

void main()
{
 key_t unique_key; /* 定义一个IPC关键字*/
 int id;
 struct sembuf lock_it;
 union semun options;
 int i;

 unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成关键字，字符'a'是一个随机种子*/

 /* 创建一个新的信号量集合*/
 id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
 printf("semaphore id=%d\n", id);
 options.val = 1; /*设置变量值*/
 semctl(id, 0, SETVAL, options); /*设置索引0的信号量*/

 /*打印出信号量的值*/
 i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
 printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);

 /*下面重新设置信号量*/
 lock_it.sem_num = 0; /*设置哪个信号量*/
 lock_it.sem_op =  - 1; /*定义操作*/
 lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/
 if (semop(id, &lock_it, 1) ==  - 1)
 {
  printf("can not lock semaphore.\n");
  exit(1);
 }
 i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
 printf("value of semaphore at index 0 is %d\n", i);

 /*清除信号量*/
 semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);
}

套接字通信并不为Linux所专有，在所有提供了TCP/IP协议栈的操作系统中几乎都提供了socket，而所有这样操作系统，对套接字的编程方法几乎是完全一样的。

4.小结
本文讲述了Linux进程的概念，并以多个实例讲解了进程控制及进程间通信方法，理解这篇的内容可以说是理解Linux这个操作系统的关键。

2008年10月24日星期五

C++多线程入门（zz）

发信人: eastcrusader (昨我已逝), 信区: CPlusPlus
标题: C++多线程入门（一）
发信站: 水木社区 (Wed Oct 8 01:10:23 2008), 站内

第1节背景
为了更好的理解多线程的概念，先对进程，线程的概念背景做一下简单介绍。

早期的计算机系统都只允许一个程序独占系统资源，一次只能执行一个程序。在大型机年代，计算能力是一种宝贵资源。对于资源拥有方来说，最好的生财之道自然是将同一资源同时租售给尽可能多的用户。最理想的情况是垄断全球计算市场。所以不难理解为何当年IBM预测“全球只要有4台计算机就够了”。

这种背景下，一个计算机能够支持多个程序并发执行的需求变得十分迫切。由此产生了进程的概念。进程在多数早期多任务操作系统中是执行工作的基本单元。进程是包含程序指令和相关资源的集合。每个进程和其他进程一起参与调度，竞争CPU，内存等系统资源。每次进程切换，都存在进程资源的保存和恢复动作，这称为上下文切换。

进程的引入可以解决支持多用户的问题，但是多进程系统也在如下方面产生了新的问题：
? 进程频繁切换引起的额外开销可能会严重影响系统性能。
? 进程间通信要求复杂的系统级实现。

在程序功能日趋复杂的情况下，上述缺陷也就凸现出来。比如，一个简单的GUI程序，为了有更好的交互性，通常用一个任务支持界面交互，另一个任务支持后台运算。如果每个任务均由一个进程来实现，那会相当低效。对每个进程来说，系统资源看上去都是其独占的。比如内存空间，每个进程认为自己的内存空间是独有的。一次切换，这些独立资源都需要切换。

由此就演化出了利用分配给同一个进程的资源，尽量实现多个任务的方法。这也就引入了线程的概念。同一个进程内部的多个线程，共享的是同一个进程的所有资源。

比如，与每个进程独有自己的内存空间不同，同属一个进程的多个线程共享该进程的内存空间。例如在进程地址空间中有一个全局变量globalVar，若A线程将其赋值为1，则另一线程B可以看到该变量值为1。两个线程看到的全局变量globalVar是同一个变量。

通过线程可以支持同一个应用程序内部的并发，免去了进程频繁切换的开销，另外并发任务间通信也更简单。

目前多线程应用主要用于两大领域：网络应用和嵌入式应用。为什么在这两个领域应用较多呢？因为多线程应用能够解决两大问题：
? 并发。网络程序具有天生的并发性。比如网络数据库可能需要同时处理数以千计的请求。而由于网络连接的时延不确定性和不可靠性，一旦等待一次网络交互，可以让当前线程进入睡眠，退出调度，处理其他线程。这样就能够有效利用系统资源，充分发挥系统处理能力。
? 实时。线程的切换是轻量级的，所以可以保证足够快。每当有事件发生，状态改变，都能有线程及时响应，而且每次线程内部处理的计算强度和复杂度都不大。在这种情况下，多线程实现的模型也是高效的。

在有些语言中，对多线程或者并发的支持是直接内建在语言中的，比如Ada和VHDL。在C++里面，对多线程的支持由具体操作系统提供的函数接口支持。不同的系统中具体实现方法不同。后面所有例子只给出windows和Unix/Linux的实现。

在后面的实现中，考虑的是尽量封装隔离底层的多线程函数接口，屏蔽操作系统底层的线程实现具体细节，介绍的重点是多线程编程中较通用的概念。同时也尽量体现C++面向对象的一面。

最后，由于空闲时间有限，我只求示例代码能够明确表达自己的意思即可。至于代码的尽善尽美就只能有劳各位尽力以为之了。
?

第2节线程的创建
本节介绍如下内容
? 线程状态
? 线程运行环境
? 线程类定义
? 示例程序
? 线程类的Windows和Unix实现
线程状态
在一个线程的生存期内，可以在多种状态之间转换。不同操作系统可以实现不同的线程模型，定义许多不同的线程状态，每个状态还可以包含多个子状态。但大体说来，如下几种状态是通用的：
? 就绪：参与调度，等待被执行。一旦被调度选中，立即开始执行。
? 运行：占用CPU，正在运行中。
? 休眠：暂不参与调度，等待特定事件发生。
? 中止：已经运行完毕，等待回收线程资源（要注意，这个很容易误解，后面解释）。
线程环境
线程存在于进程之中。进程内所有全局资源对于内部每个线程均是可见的。
进程内典型全局资源有如下几种：
? 代码区。这意味着当前进程空间内所有可见的函数代码，对于每个线程来说也是可见的。
? 静态存储区。全局变量。静态变量。
? 动态存储区。也就是堆空间。
线程内典型的局部资源有：
? 本地栈空间。存放本线程的函数调用栈，函数内部的局部变量等。
? 部分寄存器变量。例如本线程下一步要执行代码的指针偏移量。

一个进程发起之后，会首先生成一个缺省的线程，通常称这个线程为主线程。C/C++程序中主线程就是通过main函数进入的线程。由主线程衍生的线程称为从线程，从线程也可以有自己的入口函数，作用相当于主线程的main函数。

这个函数由用户指定。Pthread和winapi中都是通过传入函数指针实现。在指定线程入口函数时，也可以指定入口函数的参数。就像main函数有固定的格式要求一样，线程的入口函数一般也有固定的格式要求，参数通常都是void *类型，返回类型在pthread中是void *, winapi中是unsigned int，而且都需要是全局函数。

最常见的线程模型中，除主线程较为特殊之外，其他线程一旦被创建，相互之间就是对等关系 (peer to peer)，不存在隐含的层次关系。每个进程可以创建的最大线程数由具体实现决定。

为了更好的理解上述概念，下面通过具体代码来详细说明。
线程类接口定义
一个线程类无论具体执行什么任务，其基本的共性无非就是
? 创建并启动线程
? 停止线程
? 另外还有就是能睡，能等，能分离执行（有点拗口，后面再解释）。
? 还有其他的可以继续加…
将线程的概念加以抽象，可以为其定义如下的类：
文件 thread.h
#ifndef __THREAD__H_
#define __THREAD__H_
class Thread
{
public:
  Thread();
  virtual ~Thread();
  int start (void * = NULL);
  void stop();
  void sleep (int);
  void detach();
  void * wait();
protected:
  virtual void * run(void *) = 0;
private:
//这部分win和unix略有不同，先不定义，后面再分别实现。
//顺便提一下，我很不习惯写中文注释，这里为了更明白一
//点还是选用中文。
  …
};
#endif

Thread::start()函数是线程启动函数，其输入参数是无类型指针。
Thread::stop()函数中止当前线程。
Thread::sleep()函数让当前线程休眠给定时间，单位为秒。
Thread::run()函数是用于实现线程类的线程函数调用。
Thread::detach()和thread::wait()函数涉及的概念略复杂一些。在稍后再做解释。

Thread类是一个虚基类，派生类可以重载自己的线程函数。下面是一个例子。

示例程序

代码写的都不够精致，暴力类型转换比较多，欢迎有闲阶级美化，谢过了先。
文件create.h
#ifndef __CREATOR__H_
#define __CREATOR__H_

#include <stdio.h>
#include "thread.h"

class Create: public Thread
{
protected:
  void * run(void * param)
  {
   char * msg = (char*) param;
   printf ("%s\n", msg);
   //sleep(100); 可以试着取消这行注释，看看结果有什么不同。
   printf("One day past.\n");
   return NULL;
  }
};
#endif
然后，实现一个main函数，来看看具体效果：
文件Genesis.cpp
#include <stdio.h>
#include "create.h"

int main(int argc, char** argv)
{
  Create monday;
  Create tuesday;

  printf("At the first God made the heaven and the earth.\n");
  monday.start("Naming the light, Day, and the dark, Night, the first day.");
  tuesday.start("Gave the arch the name of Heaven, the second day.");
  printf("These are the generations of the heaven and the earth.\n");

  return 0;
}
编译运行，程序输出如下：
At the first God made the heaven and the earth.
These are the generations of the heaven and the earth.
令人惊奇的是，由周一和周二对象创建的子线程似乎并没有执行！这是为什么呢？别急，在最后的printf语句之前加上如下语句：
monday.wait();
tuesday.wait();
重新编译运行，新的输出如下：
At the first God made the heaven and the earth.
Naming the light, Day, and the dark, Night, the first day.
One day past.
Gave the arch the name of Heaven, the second day.
One day past.
These are the generations of the heaven and the earth.

为了说明这个问题，需要了解前面没有解释的Thread::detach()和Thread::wait()两个函数的含义。

无论在windows中，还是Posix中，主线程和子线程的默认关系是：
无论子线程执行完毕与否，一旦主线程执行完毕退出，所有子线程执行都会终止。这时整个进程结束或僵死（部分线程保持一种终止执行但还未销毁的状态，而进程必须在其所有线程销毁后销毁，这时进程处于僵死状态），在第一个例子的输出中，可以看到子线程还来不及执行完毕，主线程的main()函数就已经执行完毕，从而所有子线程终止。

需要强调的是，线程函数执行完毕退出，或以其他非常方式终止，线程进入终止态（请回顾上面说的线程状态），但千万要记住的是，进入终止态后，为线程分配的系统资源并不一定已经释放，而且可能在系统重启之前，一直都不能释放。终止态的线程，仍旧作为一个线程实体存在与操作系统中。（这点在win和unix中是一致的。）而什么时候销毁线程，取决于线程属性。

通常，这种终止方式并非我们所期望的结果，而且一个潜在的问题是未执行完就终止的子线程，除了作为线程实体占用系统资源之外，其线程函数所拥有的资源（申请的动态内存，打开的文件，打开的网络端口等）也不一定能释放。所以，针对这个问题，主线程和子线程之间通常定义两种关系：
? 可会合(joinable)。这种关系下，主线程需要明确执行等待操作。在子线程结束后，主线程的等待操作执行完毕，子线程和主线程会合。这时主线程继续执行等待操作之后的下一步操作。主线程必须会合可会合的子线程，Thread类中，这个操作通过在主线程的线程函数内部调用子线程对象的wait()函数实现。这也就是上面加上三个wait()调用后显示正确的原因。必须强调的是，即使子线程能够在主线程之前执行完毕，进入终止态，也必需显示执行会合操作，否则，系统永远不会主动销毁线程，分配给该线程的系统资源（线程id或句柄，线程管理相关的系统资源）也永远不会释放。
? 相分离(detached)。顾名思义，这表示子线程无需和主线程会合，也就是相分离的。这种情况下，子线程一旦进入终止态，系统立即销毁线程，回收资源。无需在主线程内调用wait()实现会合。Thread类中，调用detach()使线程进入detached状态。这种方式常用在线程数较多的情况，有时让主线程逐个等待子线程结束，或者让主线程安排每个子线程结束的等待顺序，是很困难或者不可能的。所以在并发子线程较多的情况下，这种方式也会经常使用。
缺省情况下，创建的线程都是可会合的。可会合的线程可以通过调用detach()方法变成相分离的线程。但反向则不行。

UNIX实现

文件 thread.h
#ifndef __THREAD__H_
#define __THREAD__H_
class Thread
{
public:
  Thread();
  virtual ~Thread();
  int start (void * = NULL);
  void stop();
  void sleep (int);
  void detach();
  void * wait();
protected:
  virtual void * run(void *) = 0;
private:
  pthread_t handle;
  bool started;
  bool detached;
  void * threadFuncParam;
friend void * threadFunc(void *);
};

//pthread中线程函数必须是一个全局函数，为了解决这个问题
//将其声明为静态，以防止此文件之外的代码直接调用这个函数。
//此处实现采用了称为Virtual friend function idiom 的方法。
Static void * threadFunc(void *);
#endif

文件thread.cpp
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>
#include “thread.h”

static void * threadFunc (void * threadObject)
{
  Thread * thread = (Thread *) threadObject;
  return thread->run(thread->threadFuncParam);
}

Thread::Thread()
{
  started = detached = false;
}

Thread::~Thread()
{
  stop();
}

bool Thread::start(void * param)
{
  pthread_attr_t attributes;
  pthread_attr_init(&attributes);
  if (detached)
  {
   pthread_attr_setdetachstate(&attributes, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
  }

  threadFuncParam = param;

  if (pthread_create(&handle, &attributes, threadFunc, this) == 0)
  {
   started = true;
  }

  pthread_attr_destroy(&attribute);
}

void Thread::detach()
{
  if (started && !detached)
  {
   pthread_detach(handle);
  }
  detached = true;
}

void * Thread::wait()
{
  void * status = NULL;
  if (started && !detached)
  {
   pthread_join(handle, &status);
  }
  return status;
}

void Thread::stop()
{
  if (started && !detached)
  {
   pthread_cancel(handle);
   pthread_detach(handle);
   detached = true;
  }
}

void Thread::sleep(unsigned int milliSeconds)
{
  timeval timeout = { milliSeconds/1000, millisecond%1000};
  select(0, NULL, NULL, NULL, &timeout);
}

Windows实现

文件thread.h
#ifndef _THREAD_SPECIFICAL_H__
#define _THREAD_SPECIFICAL_H__

#include <windows.h>

static unsigned int __stdcall threadFunction(void *);

class Thread {
   friend unsigned int __stdcall threadFunction(void *);
public:
   Thread();
   virtual ~Thread();
   int start(void * = NULL);
   void * wait();
   void stop();
   void detach();
   static void sleep(unsigned int);

protected:
   virtual void * run(void *) = 0;

private:
   HANDLE threadHandle;
   bool started;
   bool detached;
   void * param;
   unsigned int threadID;
};

#endif

文件thread.cpp
#include "stdafx.h"
#include <process.h>
#include "thread.h"

unsigned int __stdcall threadFunction(void * object)
{
   Thread * thread = (Thread *) object;
   return (unsigned int ) thread->run(thread->param);
}

Thread::Thread()
{
   started = false;
   detached = false;
}

Thread::~Thread()
{
   stop();
}

int Thread::start(void* pra)
{
   if (!started)
   {
   param = pra;
   if (threadHandle = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadFunction, this, 0, &threadID))
   {
   if (detached)
   {
   CloseHandle(threadHandle);
   }
   started = true;
   }
   }
   return started;
}

//wait for current thread to end.
void * Thread::wait()
{
   DWORD status = (DWORD) NULL;
   if (started && !detached)
   {
   WaitForSingleObject(threadHandle, INFINITE);
   GetExitCodeThread(threadHandle, &status);
   CloseHandle(threadHandle);
   detached = true;
   }

   return (void *)status;
}

void Thread::detach()
{
  if (started && !detached)
  {
   CloseHandle(threadHandle);
  }
  detached = true;
}

void Thread::stop()
{
   if (started && !detached)
   {
   TerminateThread(threadHandle, 0);

   //Closing a thread handle does not terminate
   //the associated thread.
   //To remove a thread object, you must terminate the thread,
   //then close all handles to the thread.
   //The thread object remains in the system until
   //the thread has terminated and all handles to it have been
   //closed through a call to CloseHandle
   CloseHandle(threadHandle);
   detached = true;
   }
}

void Thread::sleep(unsigned int delay)
{
   ::Sleep(delay);
}

小结

本节的主要目的是帮助入门者建立基本的线程概念，以此为基础，抽象出一个最小接口的通用线程类。在示例程序部分，初学者可以体会到并行和串行程序执行的差异。有兴趣的话，大家可以在现有线程类的基础上，做进一步的扩展和尝试。如果觉得对线程的概念需要进一步细化，大家可以进一步扩展和完善现有Thread类。

想更进一步了解的话，一个建议是，可以去看看其他语言，其他平台的线程库中，线程类抽象了哪些概念。比如Java, perl等跨平台语言中是如何定义的，微软从winapi到dotnet中是如何支持多线程的，其线程类是如何定义的。这样有助于更好的理解线程的模型和基础概念。

另外，也鼓励大家多动手写写代码，在此基础上尝试写一些代码，也会有助于更好的理解多线程程序的特点。比如，先开始的线程不一定先结束。线程的执行可能会交替进行。把printf替换为cout可能会有新的发现，等等。

每个子线程一旦被创建，就被赋予了自己的生命。管理不好的话，一只特例独行的猪是非常让人头痛的。

对于初学者而言，编写多线程程序可能会遇到很多令人手足无措的bug。往往还没到考虑效率，避免死锁等阶段就问题百出，而且很难理解和调试。这是非常正常的，请不要气馁，后续文章会尽量解释各种常见问题的原因，引导大家避免常见错误。目前能想到入门阶段常遇到的问题是：
? 内存泄漏，系统资源泄漏。
? 程序执行结果混乱，但是在某些点插入sleep语句后结果又正确了。
? 程序crash, 但移除或添加部分无关语句后，整个程序正常运行（假相）。
? 多线程程序执行结果完全不合逻辑，出于预期。

本文至此，如果自己动手改改，试一些例子，对多线程程序应该多少有一些感性认识了。刚开始只要把基本概念弄懂了，后面可以一步一步搭建出很复杂的类。不过刚开始不要贪多，否则会欲速则不达，越弄越糊涂。

最后，大家见仁见智吧，我在此起到抛砖引玉的作用就很开心了，呵呵。另外文本编辑器的原因，代码如果编译不过，可能需要把标点符号从中文换成英文。

第三节线程互斥
本节介绍如下内容
? 主动对象
? 调度与原子操作
? 竞争条件和数据一致性
? 为何需要互斥
? 互斥类接口定义
? 示例程序
? 互斥类的Unix和Windows实现

主动对象(Active Object)
第二节介绍Thread类的时候曾经提到，每个子线程一旦被创建，就被赋予了自己的生命。当一个线程类创建并启动之后，它将会以自己的步调主动执行其独立线程，它和其他线程（包括主线程）的执行是并行关系。

为了详细说明这个问题，先介绍一下什么是控制流(control flow)。计算机科学中，控制流指指令式(imperative)或函数式(functional)编程语言中语句、指令、函数调用的执行（或求值）序列。

单线程程序中，控制流始终是一线串珠，一旦控制流达到某个对象，由程序主动调用对象函数，在函数执行完毕后，控制流返回主程序继续执行。对于被访问对象来说，访问、修改、成员函数调用都是一个被动的过程，此过程受控于该程序的控制流。所以，称单线程程序的对象为被动对象(Passive Object)。

与被动对象相对应的是主动对象。主动对象和被动对象的区别在于，主动对象可以发起自己的线程，创建新的执行序列，产生独立于主线程的控制流分支。简而言之，主动对象可以独立于主线程，自主制定自己的控制流。如果愿意，你可以实现一个和主线程没有任何协调关系，天马行空式的独立线程。当然，这样的线程往往也意味着毫无用处（娱乐作用除外）。

调度和原子操作
从理论模型上说，多线程环境中，线程之间是独立、对等关系。一个线程完全可以无视其他线程的存在。但实际多线程执行环境中，线程数往往远大于CPU数量。为了共享和分配资源，线程必需遵守一定规则，进行必要的协调。操作系统中具体的规则执行者是调度程序。因此，要想掌握多线程编程，就必需了解线程调度的基本概念和特点。在此基础上，才能了解为什么需要在线程之间进行协调，进而才能透彻理解如何协调多线程的并发执行。

现代操作系统中，存在许多不同的线程调度模型，这些调度模型的基本共同点就是线程执行顺序具有随机性和不确定性。调度模型既无法事先知道某一时刻会存在多少线程，也无法知道哪个线程会正在运行，甚至也不知道某个线程确切会到什么时刻执行结束，更不用说预先安排在特定时刻执行特定线程的特定语句。

前面提到，控制流就是语句，指令或函数调用的顺序序列。反映到时间轴上，就是一系列离散分布的执行序列。线程调度作用于多个控制流的客观效果，就是多个控制流按同一条时间轴排列时，是一个近似随机的执行序列；按每个控制流各自的时间轴排列时，则是一个具有先后顺序的执行序列。

在具体的程序执行上，这个特点就表现为线程A的一个语句执行完毕后，紧接着执行的可能是另一个线程B的一个语句。甚至可能是线程A的一个语句还没有执行完毕，就接着执行线程B的语句。

对于后一点不用感到奇怪。因为操作系统中，调度程序作为系统底层实现的一部分，参与调度的操作指令可能比高级编程语言的基本语句要底层的多。同一个调度程序，其调度的众多线程可能由多种高级语言编写，所以调度程序基本上不可能以某种高级编程语言的单条语句为单位安排执行序列。

通常，一条高级语言语句可能对应多条汇编指令，而一条汇编指令可能对应多条CPU微码指令。而一条微码指令，则可能对应逻辑电路的一个具体电路逻辑。顺便提一下，这也是Verilog, VHDL等高级语言能够综合出具体的逻辑电路的基本原理。所不同的是，高级语言编译器编译的最终单位是汇编，而硬件描述语言综合的最终单位是和微码对应的电路器件单元（集成电路前端设计的内容。记得以前暑期实习，我窝在学校做的就是这么一个元件库，做的很不像样子居然还得到了一定的肯定，多年后想起来还是汗颜）。

至于系统调度程序具体会定义怎样的原子操作集合，会以什么粒度的指令为调度基本单位，这就是系统设计者各显神通的地方了。个人认为，作为高级语言的编程者，记住什么操作是原子操作意义并不明显。大多数场合，只要认为，多线程的控制流在同一条时间轴上看来是完全随机的就可以了。要记住，墨菲定律生效的时候，看似不可能的事情都能成为现实。

多线程程序设计中，一种朴素的设计思想是将线程具体化为主动对象，主动对象之间通过共享环境（全局资源）来维护当前应用的运行状态；主动对象间通过一套约定的互斥和同步规则来实现通信；线程的具体执行时序则由调度程序安排。主动对象之间，应尽量避免一个主动对象直接调用另一个主动对象的内部方法（例如suspend, stop, exit）直接控制另一个线程的执行步调。主动对象的行为应该完全由其本身控制，和其他主动对象的交互尽量只通过环境以及同步语句来实现。

实际实现中，如果多个主动对象都可以直接调用某个主动对象的stop方法终止其运行，这个程序是非常脆弱的，因为在调度程序之外，不借助同步机制，主观假定线程执行时序，人为更改线程执行状态是非常不明智的。即使这样的程序可用，对于维护者来说其难度也不亚于维护goto语句。

这也就是前一篇文章所定义线程类中detach, start, stop没有加锁的原因，因为并不希望在多个线程中调用同一个线程对象的这些方法。

竞争条件和数据一致性
共享环境是进程全局资源的同义词。在多线程并发执行中，最常遇到的问题就是共享环境被污染。具体体现就是全局数据被破坏，全局文件内容被破坏 … 。

例如：
有一个64位全局变量long globalVar = 0;主动对象A想把它置为0x000A000B000C000D；假设这个操作分两步执行，先将高32位置为000A000B，再把低32位置为000C000D。但不巧的是，对象A刚刚将高位置位，调度程序安排另一主动对象B执行。这时，全局变量globalVar内部的值是一个非法值，它是无意义的。在B拿着这个值做进一步处理时，得出的也是错误结果。这时，称为数据的一致性被破坏。

线程调度的不确定性也可能导致程序执行结果的不确定性。有时候这种不确定性会导致程序得到错误的运行结果。
例如：
为了对Thread类所生成的对象总数计数，定义一个全局变量Unsigned int counter = 0; 在Thread类的构造函数中，执行++counter。现在假设有2个Thread对象objA和objB并发运行，考虑如下两个场景：
Scenario1.操作序列如下：
1. counter = 0;
2. objA将counter值0从内存读入寄存器A；
3. objA将寄存器A值加1；
4. objA将寄存器A值写回内存，counter值为1；
5. objB将counter值1从内存读入寄存器B；
6. objB将寄存器B值加1；
7. objA将寄存器B值写回内存，counter值为2；
8. 最终counter值为2。
Scenario2.操作序列如下：
1. counter = 0;
2. objA将counter值0从内存读入寄存器A；
3. objB将counter值0从内存读入寄存器B
4. objA将寄存器A值加1；
5. objB将寄存器B值加1；
6. objA将寄存器A值写回内存，counter值为1；
7. objA将寄存器B值写回内存，counter值为1；
8. 最终counter值为1。
场景1的结果是设计的本意，场景2的结果对我们而言是错误的。

一个线程的执行结果正确性取决于于其他线程执行时序的条件，称为竞争条件。中文这样翻译不伦不类，但从英文字面理解非常容易。Race一般是计时赛，某位选手跑得快一点，竞赛结果就有变化，最终结果由race condition决定，还是非常形象的。

为何需要互斥
线程间协作问题，通常可以归为互斥和同步两类。其中互斥又主要解决两类问题：维护数据一致性、避免竞争条件的出现。

解决一致性问题，通俗说就是，修改数据的线程通告其他线程“我正在修改你要访问的对象X，操作过程中不能保证这个数据的有效性，请不要使用此对象”。

避免竞争条件，通俗说就是，某线程通告其他线程“我将要进行涉及某对象的一系列操作A，在我未完成这一系列操作之前，如果有人和我同时执行涉及此对象的操作序列B（B也可能就是A），将会影响我执行结果的正确性，请不要进行涉及此对象的操作”。

这种操作序列A有时候也被称为“原子性操作”，因为它不允许操作序列B在时间轴上和它交叉分布，必需保证在时间轴上看来，操作序列A是一个不可分割的整体。（物理学早期，原子也被认为是不可分割的）。

以上冗长的解释，精简成一句话，就是“线程间需要互斥执行”。需要互斥的操作对应的代码也有一个很学术的名称－“关键域（或关键区）”。

那么如何实现互斥呢？一个简单的思路就是，设立一个权威仲裁者，给那些需要互斥执行的线程颁发一个共用的通行证。某个线程想要进入一个关键域执行，需要先申请可以进入该关键域的通行证，如果别的线程已经拿走了该通行证，则本线程等待，进入休眠状态，退出调度。如果本线程的通行证使用完毕，则应该将它归还给仲裁者，重新唤醒等待线程，参与调度，竞争此通行证。

比如，下列伪码中，threadFuncA和threadFuncB就需要申请同一张通行证：
例一：
int globalCounter = 0;

void threadFuncA (通行证类型 * 通行证)
{
  获取通行证；
  globalCounter++;
  归还通行证；
}

Void threadFuncB (通行证类型 * 通行证)
{
  获取通行证；
  globalCounter *= 2;
  归还通行证；
}

又比如，下列伪码中，需要为ResourceClass类的对象引用计数器制定一张通行证
。
例二：
class ResourceClass
{
public:
  resource & reference()
  {
   获取通行证；
++refcounter;
printf(“当前对象被引用了%u次”, refCounter);
释放通行证；
  }
private:
  通行证类型通行证；
  unsigned int refCounter;
};

ResourceClass rescObj
Void threadFuncA()
{
  rescObj-> reference();
}

Void threadFuncB()
{
  rescObj-> reference();
}

最后一个例子，是为ResourceClass类的对象计数器制定一张通行证。
例三：
class ResourceClass
{
public:
  ResourceClass ()
  {
   获取通行证；
++objcounter;
printf(“当前类创建了%u个对象”, objCounter);
释放通行证；
  }
private:
  static通行证类型通行证；
  unsigned int objCounter;
};

Void threadFuncA()
{
  ResourceClass * rescObj = new ResourceClass ();
}

Void threadFuncB()
{
  ResourceClass * rescObj = new ResourceClass ();
}
这三个例子中，例一是不同函数之间互斥，所以通行证的作用域要对两个函数都可见。
例二是同一个对象的内部函数多次调用之间的互斥，所以只要保证该函数多次调用时共用的都是当前对象内部同一份通行证即可。例三是同一个类的所有对象在创建时都要互斥，所以必需保证这个类的所有对象构造时共用的时同一份通行证，从而通行证被声明为静态成员。

这里所说的“通行证”在多线程编程中对应一个专门的术语mutex，由“mutual exclusion”拼接而来。为什么不直接用“锁”的概念呢？因为“锁”并不能很好的表达互斥的含义。锁是指一定条件下不允许当前代码段执行的概念。如上述例二或例三，不允许多个线程同时执行同一函数，这时说这个函数被锁定是很形象。但在例一中，A函数被锁定，为什么B函数不能执行呢？这就较难理解了。

而且经常有人感到疑惑，为什么“加锁后，被锁定的关键域只能串行执行”。这个其实是指在各自的时间轴上，并行的控制流在经过互斥执行的代码段时，必需以先后顺序串行执行。在今后的介绍中，mutex的申请，用acquire()操作表示，mutex的归还，用release()表示。舍弃lock(), unlock()的表示。

为了深入理解，先来看一段使用忙等待实现互斥的代码，用的是系统内核中使用较多的“spin lock”互斥方法。

例4．忙等待实现互斥
//声明为volatile，防止被编译器优化。
volatile bool dataProcessNotDone = true;
int criticalData = 0;

unsigned threadFuncA( void* para )
{
   //如果编译器不支持volatile关键字，
//打开优化选项时，此句可能直接变成死循环。
   while (dataProcessNotDone); // spin lock,锁定的是后续数据

   //被锁定的代码区
   printf("critical data is %d\n", CriticalData);
   return 0;
}

unsigned threadFuncB( void* para )
{
   sleep(1000);
   criticalData++;
   dataProcessNotDone = false; //修改互斥变量
   return 0;
}
在高级语言中，利用spin lock实现复杂互斥条件非常困难，单单处理竞争条件就令人望而生畏。Spin lock在每次等待解锁的时间都很短时，具有无需线程切换，无需再调度等独特优势。但是在绝大多数应用中，由于互斥等待时间不确定（可能很长），多个线程等待spin lock解锁的过程中，spinning的行为可能导致系统处于半瘫痪状态，会严重影响程序性能。

除了忙等待之外，很多操作系统或线程库都提供了互斥原语来实现互斥。如果有可能，应当尽量使用系统提供的接口实现互斥。否则，要考虑编译器优化中的常量代入，语句执行顺序重排，cpu指令序列优化等依赖于具体软硬件环境的复杂问题（关键是这样的付出没有太大意义）。

下面根据上述概念，抽象出互斥类的概念，定义如下Mutex类接口
互斥类接口定义
文件mutex.h
#ifndef __MUTEX_H__
#define __MUTEX_H__
// C++标准中以_或__开头的名字不符合标准，
// 这一特点可以让这样定义的宏不会错误覆盖其他名字。

class Mutex
{
public:
  Mutex();
  ~Mutex();
  bool acquire (bool block = true);
  void release();
private:
  //依赖于具体实现，后面再说。
};
#endif
其中，Mutex::acquire()，获取互斥量，有阻塞和非阻塞两种调用方式，阻塞方式，获取互斥量失败时线程休眠。非阻塞方式下，获取失败时直接返回。Mutex::release()，释放互斥量。

示例程序
下面的例子说明了如何实现多线程环境下的Singleton模式。
文件Singleton.h：
#ifndef __SINGLETON_H__
#define __SINGLETON_H__

#include <stdio.h>
#include "thread.h"
#include "mutex.h"

// Dummy class.
class Helper {};

// A wrapper class for Mutex class
// It is exception safe.
class Guard
{
public:
  Guard(Mutex & lock):mutex(lock)
  {
   mutex.acquire();
  }

  ~Guard()
  {
   mutex.release();
  }

private:
  Mutex & mutex;
};

// Correct but possibly expensive multithreaded version
class Singleton1
{
public:
  Helper * getInstance() {
   Guard guard(mutex);
   if (helper == NULL)
   {
   helper = new Helper();
   }
   return helper;
  }

private:
  static Mutex mutex;
  static Helper * helper;
};

// Broken multithreaded version
// "Double-Checked Locking" idiom
class Singleton2
{
public:
  Helper * getInstance() {

   if (helper == NULL)
   {
   Guard guard(mutex);
   if (helper == NULL)
   {
   helper = new Helper();
   }
   }

   return helper;
  }

private:
  static Mutex mutex;
  static Helper * helper;
};

//Thread class for test.
template
class TestThread: public Thread
{
public:
  TestThread(T & resource, Helper *& res, Helper *&
res2Cmp)
   :singleton(resource), instance(res), instance2Cmp(res2Cmp) {}

protected:
  void * run (void *)
  {
   for (int i=0; i<100000; i++)
   {
   instance = singleton.getInstance();
   if (instance != instance2Cmp
   && instance != NULL
   &&instance2Cmp != NULL
   )
   {
   printf("Fail! %p << %p.\n", instance, instance2Cmp);
   }
   }
   return NULL;
  }
private:
  T & singleton;
   Helper * & instance;
   Helper * & instance2Cmp;
};

#endif

文件main.cpp
#include <stdio.h>
#include "singleton.h"

#define SINGLETON Singleton1

Mutex SINGLETON::mutex;
Helper * SINGLETON::helper = NULL;

int main(int argc, char** argv)
{
  Helper * instance1= NULL;
  Helper * instance2 = NULL;
  SINGLETON singleton;

  TestThread<singleton> thread1(singleton, instance1, instance2);
  TestThread<singleton> thread2(singleton, instance2, instance1);
  thread1.start();
  thread2.start();
  thread1.wait();
  thread2.wait();
  printf("Finished!\n");
  return 0;
}

对此示例程序，说明如下几点。
1．定义了一个新的Guard类，这样做的好处是做到异常安全。比如：
try
{
  Mutex mutex;
  mutex.acquire();

// Some operations
  if (errorHappened)
   throw Exception();

mutex.release();
}
catch (Exception & e)
{
  // Print error message;
}
这段代码中，抛出异常时，互斥量不能释放，容易造成死锁。使用Guard类重写，可以实现异常安全：
try
{
  Mutex mutex;
  Guard guard(mutex);
  // Some operations
  if (errorHappened)
   throw Exception();
}
catch (Exception & e)
{
  // Print error message;
}

2.Singleton1的实现可以确保多线程安全。但它是一个低效实现。假如有100次访问，只有1次会修改instance指针，其余99次都是只读操作。但是每次访问都需要进行互斥量的获取和释放操作。

取决于系统实现方式，互斥操作可能比整型变量的++操作慢一个数量级。有的实现提供的mutex其实是进程级别的互斥，一次互斥操作，会进入内核态，然后再返回用户态。而有的线程库提供的是Process local mutex，要稍快一些。但无论那种实现，代价都较大。

因此，为了改进Singleton1的实现效率，"Double-Checked Locking" idiom被提了出来。其思路是如果instance指针为空再进入互斥操作。由于获取互斥量过程中，可能别的线程已经将instance指针赋值，所以需要在获得互斥量所有权之后，再次检查instance指针值。这就是所谓”double check”中double的来历。

Double check的设计很聪明，但可惜无论在C++中还是在Java中，这么做其实都不能保证线程安全。考虑如下序列：
Step1. 线程A检查instance指针，发现其为空。获取互斥量成功，运行至语句helper = new Helper();
在打开优化选项时，这个语句在优化后可能变成2步子操作, 而且编译器自动调整了原语句的执行顺序（reordering）：
1) 分配内存，将地址赋值给helper变量。此时helper值非空。
2) 开始初始化此内存。
在运行完子语句1后，线程发生切换，此时内存尚未初始化。
Step2. 线程B检查instance指针，发现其非空。对instance所指对象进行进一步操作，由于此时对象是初始化还未完成无效数据，程序崩溃。

那么如何实现安全的double check呢？vc2005以后的版本，以及java 1.6以后的版本中，可以通过为helper加上volatile限定符，防止编译优化时调整指令执行顺序。最新的g++对volatile如何处理，没有查到相关资料。不过在C++中，只要本地汇编支持memoryBarrier指令，也可以通过在C++代码中内嵌汇编指令实现线程安全。在此不再详细讨论。

除此之外，instance类型是否是基本类型，是否多核环境，都对不安全的double check版本运行结果有微妙影响。

3．无论编译器如何实现，无论硬件环境如何，即使它最慢，也应该尽量使用系统提供的互斥原语。只有它是能够确保安全的。通过系统接口实现互斥，可以避免考虑编译优化等复杂情况。一种观点说volatile可以确保上述double check有效，但是intel有技术人员专门从硬件的角度批驳了这个说法，他告诉大家，即使编译器不做这个reordering, 处理器也可能在指令级别做。唯一能确保安全的，还是由系统实现的互斥接口。（照此说法，MS 和 Intel结成wintel联盟还是必要的，呵呵）双方说法似乎都一样权威时，作为程序开发者，很难取舍，因此在此类问题上还
是应该适当保守。

4．Mutex, volatile变量，普通变量在使用中的具体效率对比，是一个非常复杂的问题。涉及到内存，缓存，寄存器之间各种情况的同步问题。不过大家可以针对一些简单的例子，测试一下执行时间上的差异。

Unix实现
下面是借助pthread的Mutex类实现。
文件Mutex.h
#ifndef __MUTEX_H__
#define __MUTEX_H__

#include <pthread.h>

class Mutex
{
public:
  Mutex();
  virtual ~Mutex();
  virtual bool acquire (bool block = true);
  virtual void release();
private:
  pthread_mutex_t handle;
};
#endif

文件 Mutex.cpp
#include "mutex.h"

Mutex::Mutex()
{
  pthread_mutex_init(&handle, NULL);
}

Mutex::~Mutex()
{
  pthread_mutex_destroy(&handle);
}

bool Mutex::acquire(bool block)
{
  if (block)
  {
   return pthread_mutex_lock(&handle) == 0;
  }
  else
  {
   return pthread_mutex_trylock(&handle) == 0;
  }
}

void Mutex::release()
{
  ReleaseMutex(handle);
}

Windows实现
文件mutex.h
#ifndef __MUTEX_H__
#define __MUTEX_H__

#include <windows.h>

class Mutex
{
public:
  Mutex();
  virtual ~Mutex();
  virtual bool acquire (bool block = true);
  virtual void release();
private:
  HANDLE handle;
};
#endif

文件mutex.cpp
#include "mutex.h"

Mutex::Mutex()
{
  handle = CreateMutex(NULL, false, NULL);
}

Mutex::~Mutex()
{
  CloseHandle(handle);
}

bool Mutex::acquire(bool block)
{
  //Use caution when calling the wait functions
  //and code that directly or indirectly creates windows.
  return WaitForSingleObject(handle, block ? INFINITE : 0) ==
WAIT_OBJECT_0;
}

void Mutex::release()
{
  ReleaseMutex(handle);
}

小结
本节从控制流的角度进一步介绍了什么是多线程执行中的并发，在此基础上介绍了主动对象的概念。在多线程编程中，需要考虑线程协作的地方，如果执行顺序理不清，为每一个线程画一条时间轴，标出各自时序，对分析问题往往能有帮助。

本节也介绍了多线程设计的一个基本思想，就是主动对象要具有一定的独立性，和其他线程的交互尽量只通过进程环境、系统或线程库提供的同步原语实现。

为什么要互斥，这个基本问题不能透彻理解的话，锁的概念很容易把自己弄糊涂。互斥的粒度大小也就根本无法谈起。

互斥的效率问题，在实际设计中是一个值得考虑的问题。但是程序的正确性问题是一个更重要的问题。不能保证正确性，就不要用。保证正确性到实现高效性的过程，类似于学会走路到能够飞奔的过程。对于初学者来说，欲速则不达。

为了对互斥量的使用，“通行证”所有权的转换，以及不同系统中Mutex的实现效率等有一个充分的感性认识，大家请多动手实现才能真正有所收益，最终超越我本人的一己知见。

最后，欢迎提出各种意见，以便这个系列能够错误少一些，解释准确一些，帮助也更大一些。

2008年10月19日星期日

C++中不常用的关键字

mutable关键字
关键字mutable是C＋＋中一个不常用的关键字,他只能用于类的非静态和非常量数据成员我们知道一个对象的状态由该对象的非静态数据成员决定,所以随着数据成员的改变,对像的状态也会随之发生变化!
如果一个类的成员函数被声明为const类型,表示该函数不会改变对象的状态,也就是该函数不会修改类的非静态数据成员.但是有些时候需要在该类函数中对类的数据成员进行赋值.这个时候就需要用到mutable关键字了
例如:

class Demo
{
public:
    Demo(){}
    ~Demo(){}
public:
    bool getFlag() const
    {
        m_nAccess＋＋;
        return m_bFlag;
    }
private:
    int  m_nAccess;
    bool m_bFlag;
};

int main()
{
    return 0;
}

编译上面的代码会出现 error C2166: l-value specifies const object的错误说明在const类型的函数中改变了类的非静态数据成员.这个时候需要使用mutable来修饰一下要在const成员函数中改变的非静态数据成员

m_nAccess,代码如下:

class Demo
{
public:
Demo(){}
~Demo(){}
public:
bool getFlag() const
{
m_nAccess＋＋;
return m_bFlag;
}
private:
mutable int m_nAccess;
bool m_bFlag;
};

int main()
{
return 0;
}

这样再重新编译的时候就不会出现错误了!

volatile关键字

volatile是c/c＋＋中一个鲜为人知的关键字,该关键字告诉编译器不要持有变量的临时拷贝,它可以适用于基础类型

如：int,char,long......也适用于C的结构和C＋＋的类。当对结构或者类对象使用volatile修饰的时候，结构或者类的所有成员都会被视为volatile.使用volatile并不会否定对CRITICAL_SECTION,Mutex,Event等同步对象的需要

例如：
int i;
i = i ＋ 3;
无论如何，总是会有一小段时间，i会被放在一个寄存器中，因为算术运算只能在寄存器中进行。一般来说，volatitle关键字适用于行与行之间，而不是放在行内。

我们先来实现一个简单的函数，来观察一下由编译器产生出来的汇编代码中的不足之处，并观察volatile关键字如何修正这个不足之处。在这个函数体内存在一个busy loop(所谓busy loop也叫做busy waits,是一种高度浪费CPU时间的循环方法)

void getKey(char* pch)
{
while (*pch == 0)
;
}

当你在VC开发环境中将最优化选项都关闭之后，编译这个程序，将获得以下结果(汇编代码)
; while (*pch == 0)
$L27
; Load the address stored in pch
mov eax, DWORD PTR _pch$[ebp]
; Load the character into the EAX register
movsx eax, BYTE PTR [eax]
; Compare the value to zero
test eax, eax
; If not zero, exit loop
jne $L28
;
jmp $L27
$L28
;}

这段没有优化的代码不断的载入适当的地址，载入地址中的内容，测试结果。效率相当的低，但是结果非常准确现在我们再来看看将编译器的所有最优化选项开关都打开以后，重新编译程序，生成的汇编代码，和上面的代码

比较一下有什么不同
;{
; Load the address stored in pch
mov eax, DWORD PTR _pch$[esp-4]
; Load the character into the AL register
movsx al, BYTE PTR [eax]
; while (*pch == 0)
; Compare the value in the AL register to zero
test al, al
; If still zero, try again
je SHORT $L84
;
;}

从代码的长度就可以看出来，比没有优化的情况要短的多。需要注意的是编译器把MOV指令放到了循环之外。这在单线程中是一个非常好的优化，但是，在多线程应用程序中，如果另一个线程改变了变量的值，则循环永远不会结束。被测试的值永远被放在寄存器中，所以该段代码在多线程的情况下，存在一个巨大的BUG。解决方法是重新

写一次getKey函数，并把参数pch声明为volatile,代码如下：

void getKey(volatile char* pch)
{
while (*pch == 0)
;
}

这次的修改对于非最优化的版本没有任何影响，下面请看最优化后的结果：

;{
; Load the address stored in pch
mov eax, DWORD PTR _pch$[esp-4]
; while (*pch == 0)
$L84:
; Directly compare the value to zero
cmp BYTE PTR [eax], 0
; If still zero, try again
je SHORT $L84
;
;}

这次的修改结果比较完美，地址不会改变，所以地址声明被移动到循环之外。地址内容是volatile,所以每次循环之中它不断的被重新检查。把一个const volatile变量作为参数传递给函数是合法的。如此的声明意味着函数不能改变变量的值，但是变量的值却可以被另一个线程在任何时间改变掉。

explicit关键字

我们在编写应用程序的时候explicit关键字基本上是很少使用,它的作用是"禁止单参数构造函数"被用于自动型别转换,其中比较典型的例子就是容器类型,在这种类型的构造函数中你可以将初始长度作为参数传递给构造函数.

例如:

你可以声明这样一个构造函数
class Array
{
public:
explicit Array(int size);
......
};

在这里explicit关键字起着至关重要的作用,如果没有这个关键字的话,这个构造函数有能力将int转换成Array.一旦这种情况发生,你可以给Array支派一个整数值而不会引起任何的问题,比如:

Array arr;
...
arr = 40;

此时,C＋＋的自动型别转换会把40转换成拥有40个元素的Array,并且指派给arr变量,这个结果根本就不是我们想要的结果.如果我们将构造函数声明为explicit,上面的赋值操作就会导致编译器报错,使我们可以及时发现错误.需要注意的是:explicit同样也能阻止"以赋值语法进行带有转型操作的初始化";

例如:
Array arr(40);//正确
Array arr = 40;//错误

看一下以下两种操作:

X x;
Y y(x);//显式类型转换
另一种
X x;
Y y = x;//隐式类型转换

这两种操作存在一个小小的差别,第一种方式式通过显式类型转换,根据型别x产生了型别Y的新对象;第二种方式通过隐式转换产生了一个型别Y的新对象.explicit关键字的应用主要就是上面所说的构造函数定义种,参考该关键字的应用可以看看STL源代码,其中大量使用了该关键字

__based关键字

该关键字主要用来解决一些和共享内存有关的问题,它允许指针被定义为从某一点开始算的32位偏移值,而不是内存种的绝对位置

举个例子:

typedef struct tagDEMOSTRUCT {
int a;
char sz[10];
} DEMOSTRUCT, * PDEMOSTRUCT;

HANDLE hFileMapping = CreateFileMapping(...);
LPVOID lpShare = (LPDWORD)MapViewOfFile(...);

DEMOSTRUCT __based(lpShare)* lpDemo;

上面的例子声明了一个指针lpDemo,内部储存的是从lpShare开始的偏移值,也就是lpHead是以lpShare为基准的偏移值.

上面的例子种的DEMOSTRUCT只是随便定义的一个结构,用来代表任意的结构.

虽然__based指针使用起来非常容易,但是,你必须在效率上付出一定的代价.每当你用__based指针处理数据,CPU都必须为它加上基地址,才能指向真正的位置.

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