Linux下的C编程实战

2024年2月1日发(作者：)

Linux下的C编程实战

一 开发工具链的使用

1.引言

Linux操作系统在服务器领域的应用和普及已经有较长的历史，这源于它的开源特点以及其超越Windows的安全性和稳定性。而近年来，Linux操作系统在嵌入式系统领域的延伸也可谓是如日中天，许多版本的嵌入式Linux系统被开发出来，如ucLinux、RTLinux、ARM-Linux等等。在嵌入式操作系统方面，Linux的地位是不容怀疑的，它开源、它包含TCP/IP协议栈、它易集成GUI。

鉴于Linux操作系统在服务器和嵌入式系统领域愈来愈广泛的应用，社会上越来越需要基于Linux操作系统进行编程的开发人员。

笔者建议要直接安装Linux操作系统，如下图：

在Linux平台下，可用任意一个文本编辑工具编辑源代码，但笔者建议使用emacs软件，它具备语法高亮、版本控制等附带功能，如下图：

编译器

GCC是Linux平台下最重要的开发工具，它是GNU的C和C++编译器，其基本用法为：

gcc [options] [filenames]

options为编译选项，GCC总共提供的编译选项超过100个，但只有少数几个会被频繁使用，我们仅对几个常用选项进行介绍。

假设我们编译一输出“Hello World”的程序：

/* Filename:helloworld.c */

main()

{

printf("Hello Worldn");

}

最简单的编译方法是不指定任何编译选项：

gcc helloworld.c

它会为目标程序生成默认的文件名，我们可用-o编译选项来为将产生的可执行文件指定一个文件名来代替。例如，将上述名为helloworld.c的C程序编译为名叫helloworld的可执行文件，需要输入如下命令：

gcc –o helloworld helloworld.c

-c选项告诉GCC仅把源代码编译为目标代码而跳过汇编和连接的步骤；

-S 编译选项告诉GCC 在为 C代码产生了汇编语言文件后停止编译。GCC 产生的汇编语言文件的缺省扩展名是.s，上述程序运行如下命令：

gcc –S helloworld.c

将生成helloworld.c的汇编代码，使用的是AT&T汇编。用emacs打开汇编代码如下图：

-E选项指示编译器仅对输入文件进行预处理。当这个选项被使用时，预处理器的输出被送到标准输出（默认为屏幕）而不是储存在文件里。

-O选项告诉GCC对源代码进行基本优化从而使得程序执行地更快；而-O2选项告诉GCC产生尽可能小和尽可能快的代码。使用-O2选项编译的速度比使用-O时慢，但产生的代码执行速度会更快。

-g选项告诉GCC产生能被GNU调试器使用的调试信息以便调试你的程序，可喜的是，在GCC里，我们能联用-g和-O (产生优化代码)。

-pg选项告诉GCC在你的程序里加入额外的代码，执行时，产生gprof用的剖析信息以显示你的程序的耗时情况。

调试器

GCC用于编译程序，而Linux的另一个GNU工具gdb则用于调试程序。gdb是一个用来调试C和C++程序的强力调试器，我们能通过它进行一系列调试工作，包括设置断点、观查变量、单步等。

其最常用的命令如下：

file：装入想要调试的可执行文件。

kill：终止正在调试的程序。

list：列表显示源代码。

next：执行一行源代码但不进入函数内部。

step：执行一行源代码而且进入函数内部。

run：执行当前被调试的程序

quit：终止gdb

watch：监视一个变量的值

break：在代码里设置断点，程序执行到这里时挂起

make：不退出gdb而重新产生可执行文件

shell：不离开gdb而执行shell

下面我们来演示怎样用GDB来调试一个求0+1+2+3+…+99的程序：

/* Filename:sum.c */

main()

{

int i, sum;

sum = 0;

for (i = 0; i < 100; i++)

{

sum + = i;

}

printf("the sum of 1+2+...+ is %d", sum);

}

执行如下命令编译sum.c（加-g选项产生debug信息）：

gcc –g –o sum sum.c

在命令行上键入gdb sum并按回车键就可以开始调试sum了，再运行run命令执行sum，屏幕上将看到如下内容：

list命令：

list命令用于列出源代码，对上述程序两次运行list，将出现如下画面（源代码被标行号）：

根据列出的源程序，如果我们将断点设置在第5行，只需在gdb 命令行提示符下键入如下命令设置断点：(gdb) break 5，执行情况如下图：

这个时候我们再run，程序会停止在第5行，如下图：

设置断点的另一种语法是 break ，它在进入指定函数（function）时停住。

相反的，clear用于清除所有的已定义的断点，clear 清除设置在函数上的断点， clear

则清除设置在指定行上的断点。

watch命令：

watch命令用于观查变量或表达式的值，我们观查sum变量只需要运行watch sum：

watch 为表达式（变量）expr设置一个观察点，一量表达式值有变化时，程序会停止执行。

要观查当前设置的watch，可以使用info watchpoints命令。

next、step命令：

next、step用于单步执行，在执行的过程中，被watch变量的变化情况将实时呈现(分别显示Old value和New value)，如下图：

next、step命令的区别在于step遇到函数调用，会跳转到到该函数定义的开始行去执行，而next则不进入到函数内部，它把函数调用语句当作一条普通语句执行。

make是所有想在Linux系统上编程的用户必须掌握的工具，对于任何稍具规模的程序，我们都会使用到make，几乎可以说不使用make的程序不具备任何实用价值。

在此，我们有必要解释编译和连接的区别。编译器使用源码文件来产生某种形式的目标文件(object

files)，在编译过程中，外部的符号参考并没有被解释或替换（即外部全局变量和函数并没有被找到）。因此，在编译阶段所报的错误一般都是语法错误。而连接器则用于连接目标文件和程序包，生成一个可执行程序。在连接阶段，一个目标文件中对别的文件中的符号的参考被解释，如果有符号不能找到，会报告连接错误。

编译和连接的一般步骤是：第一阶段把源文件一个一个的编译成目标文件，第二阶段把所有的目标文件加上需要的程序包连接成一个可执行文件。这样的过程很痛苦，我们需要使用大量的gcc命令。

而make则使我们从大量源文件的编译和连接工作中解放出来，综合为一步完成。GNU Make的主要工作是读进一个文本文件，称为makefile。这个文件记录了哪些文件（目的文件，目的文件不一定是最后的可执行程序，它可以是任何一种文件）由哪些文件（依靠文件）产生，用什么命令来产生。Make依靠此makefile中的信息检查磁盘上的文件，如果目的文件的创建或修改时间比它的一个依靠文件旧的话，make就执行相应的命令，以便更新目的文件。

假设我们写下如下的三个文件，add.h用于声明add函数，add.c提供两个整数相加的函数体，而main.c

中调用add函数：

/* filename:add.h */

extern int add(int i, int j);

/* filename:add.c */

int add(int i, int j)

{

return i + j;

}

/* filename:main.c */

#include "add.h"

main()

{

int a, b;

a = 2;

b = 3;

printf("the sum of a+b is %d", add(a + b));

}

怎样为上述三个文件产生makefile呢？如下：

test : main.o add.o

gcc main.o add.o -o test

main.o : main.c add.h

gcc -c main.c -o main.o

add.o : add.c add.h

gcc -c add.c -o add.o

上述makefile利用add.c和add.h文件执行gcc -c add.c -o add.o命令产生add.o目标代码，利用main.c和add.h文件执行gcc -c main.c -o main.o命令产生main.o目标代码，最后利用main.o和add.o文件（两个模块的目标代码）执行gcc main.o add.o -o test命令产生可执行文件test。

我们可在makefile中加入变量，另外。环境变量在make过程中也被解释成make的变量。这些变量是大小写敏感的，一般使用大写字母。Make变量可以做很多事情，例如：

i) 存储一个文件名列表；

ii) 存储可执行文件名；

iii) 存储编译器选项。

要定义一个变量，只需要在一行的开始写下这个变量的名字，后面跟一个=号，再跟变量的值。引用变量的方法是写一个$符号，后面跟（变量名）。我们把前面的 makefile 利用变量重写一遍（并假设使用-Wall

-O –g编译选项）：

OBJS = main.o add.o

CC = gcc

CFLAGS = -Wall -O -g

test : $(OBJS)

$(CC) $(OBJS) -o test

main.o : main.c add.h

$(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o

add.o : add.c add.h

$(CC) $(CFLAGS) -c add.c -o add.o

makefile 中还可定义清除（clean）目标，可用来清除编译过程中产生的中间文件，例如在上述makefile文件中添加下列代码：

clean:

rm -f *.o

运行make clean时，将执行rm -f *.o命令，删除所有编译过程中产生的中间文件。

不管怎么说，自己动手编写makefile仍然是很复杂和烦琐的，而且很容易出错。因此，GNU也为我们提供了Automake和Autoconf来辅助快速自动产生makefile，读者可以参阅相关资料。

5.小结

本章主要阐述了Linux程序的编写、编译、调试方法及make，实际上就是引导读者学习怎样在Linux下编程，为后续章节做好准备。

二 文件系统编程

文件系统

Linux支持多种文件系统，如ext、ext2、minix、iso9660、msdos、fat、vfat、nfs等。在这些具体文件系统的上层，Linux提供了虚拟文件系统（VFS）来统一它们的行为，虚拟文件系统为不同的文件系统与内核的通信提供了一致的接口。下图给出了Linux中文件系统的关系：

在Linux平台下对文件编程可以使用两类函数：（1）Linux操作系统文件API；（2）C语言I/O库函数。

前者依赖于Linux系统调用，后者实际上与操作系统是独立的，因为在任何操作系统下，使用C语言I/O库函数操作文件的方法都是相同的。本章将对这两种方法进行实例讲解。

文件API

Linux的文件操作API涉及到创建、打开、读写和关闭文件。

创建

int creat(const char *filename, mode_t mode);

参数mode指定新建文件的存取权限，它同umask一起决定文件的最终权限（mode&umask），其中umask代表了文件在创建时需要去掉的一些存取权限。umask可通过系统调用umask()来改变：

int umask(int newmask);

该调用将umask设置为newmask，然后返回旧的umask，它只影响读、写和执行权限。

打开

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open函数有两个形式，其中pathname是我们要打开的文件名(包含路径名称，缺省是认为在当前路径下面)，flags可以去下面的一个值或者是几个值的组合：

标志

O_RDONLY

O_WRONLY

O_RDWR

O_APPEND

O_CREAT

O_EXEC

O_NOBLOCK

O_TRUNC

含义

以只读的方式打开文件

以只写的方式打开文件

以读写的方式打开文件

以追加的方式打开文件

创建一个文件

如果使用了O_CREAT而且文件已经存在，就会发生一个错误

以非阻塞的方式打开一个文件

如果文件已经存在，则删除文件的内容

O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR三个标志只能使用任意的一个。

如果使用了O_CREATE标志，则使用的函数是int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode); 这个时候我们还要指定mode标志，用来表示文件的访问权限。mode可以是以下情况的组合：

标志

S_IRUSR

S_IWUSR

S_IXUSR

S_IRWXU

S_IRGRP

S_IWGRP

S_IXGRP

S_IRWXG

S_IROTH

S_IWOTH

S_IXOTH

S_IRWXO

S_ISUID

S_ISGID

含义

用户可以读

用户可以写

用户可以执行

用户可以读、写、执行

组可以读

组可以写

组可以执行

组可以读写执行

其他人可以读

其他人可以写

其他人可以执行

其他人可以读、写、执行

设置用户执行ID

设置组的执行ID

除了可以通过上述宏进行“或”逻辑产生标志以外，我们也可以自己用数字来表示，Linux总共用5个数字来表示文件的各种权限：第一位表示设置用户ID；第二位表示设置组ID；第三位表示用户自己的权限位；第四位表示组的权限；最后一位表示其他人的权限。每个数字可以取1(执行权限)、2(写权限)、4(读权限)、0(无)或者是这些值的和。例如，要创建一个用户可读、可写、可执行，但是组没有权限，其他人可以读、可以执行的文件，并设置用户ID位。那么，我们应该使用的模式是1(设置用户ID)、0(不设置组ID)、7(1+2+4，读、写、执行)、0(没有权限)、5(1+4，读、执行)即10705：

open("test", O_CREAT, 10705);

上述语句等价于：

open("test", O_CREAT, S_IRWXU | S_IROTH | S_IXOTH | S_ISUID );

如果文件打开成功，open函数会返回一个文件描述符，以后对该文件的所有操作就可以通过对这个文

件描述符进行操作来实现。

读写

在文件打开以后，我们才可对文件进行读写了，Linux中提供文件读写的系统调用是read、write函数：

int read(int fd, const void *buf, size_t length);

int write(int fd, const void *buf, size_t length);

其中参数buf为指向缓冲区的指针，length为缓冲区的大小（以字节为单位）。函数read()实现从文件描述符fd所指定的文件中读取length个字节到buf所指向的缓冲区中，返回值为实际读取的字节数。函数write实现将把length个字节从buf指向的缓冲区中写到文件描述符fd所指向的文件中，返回值为实际写入的字节数。

以O_CREAT为标志的open实际上实现了文件创建的功能，因此，下面的函数等同creat()函数：

int open(pathname, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, mode);

定位

对于随机文件，我们可以随机的指定位置读写，使用如下函数进行定位：

int lseek(int fd, offset_t offset, int whence);

lseek()将文件读写指针相对whence移动offset个字节。操作成功时，返回文件指针相对于文件头的位置。参数whence可使用下述值：

SEEK_SET：相对文件开头

SEEK_CUR：相对文件读写指针的当前位置

SEEK_END：相对文件末尾

offset可取负值，例如下述调用可将文件指针相对当前位置向前移动5个字节：

lseek(fd, -5, SEEK_CUR);

由于lseek函数的返回值为文件指针相对于文件头的位置，因此下列调用的返回值就是文件的长度：

lseek(fd, 0, SEEK_END);

关闭

当我们操作完成以后，我们要关闭文件了，只要调用close就可以了，其中fd是我们要关闭的文件描述符：

int close(int fd);

例程：编写一个程序，在当前目录下创建用户可读写文件“”，在其中写入“Hello, software

weekly”，关闭该文件。再次打开该文件，读取其中的内容并输出在屏幕上。

#include

#include

#include

#include

#define LENGTH 100

main()

{

int fd, len;

char str[LENGTH];

fd = open("", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR); /* 创建并打开文件 */

if (fd)

{

write(fd, "Hello, Software Weekly", strlen("Hello, software weekly")); /* 写入 Hello, software

weekly字符串 */

close(fd);

}

fd = open("", O_RDWR);

len = read(fd, str, LENGTH); /* 读取文件内容 */

str[len] = '0';

printf("%sn", str);

close(fd);

}

编译并运行，执行结果如下图：

3.C语言库函数

C库函数的文件操作实际上是独立于具体的操作系统平台的，不管是在DOS、Windows、Linux还是在VxWorks中都是这些函数：

创建和打开

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

fopen()实现打开指定文件filename，其中的mode为打开模式，C语言中支持的打开模式如下表：

标志

r, rb

w, wb

a, ab

r+, r+b, rb+

含义

以只读方式打开

以只写方式打开。如果文件不存在，则创建该文件，否则文件被截断

以追加方式打开。如果文件不存在，则创建该文件

以读写方式打开

w+, w+b, wh+

以读写方式打开。如果文件不存在时，创建新文件，否则文件被截断

a+, a+b, ab+

以读和追加方式打开。如果文件不存在，创建新文件

其中b用于区分二进制文件和文本文件，这一点在DOS、Windows系统中是有区分的，但Linux不区分二进制文件和文本文件。

读写

C库函数支持以字符、字符串等为单位，支持按照某中格式进行文件的读写，这一组函数为：

int fgetc(FILE *stream);

int fputc(int c, FILE *stream);

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

int fputs(const char *s, FILE *stream);

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

int fscanf (FILE *stream, const char *format, ...);

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t n, FILE *stream);

size_t fwrite (const void *ptr, size_t size, size_t n, FILE *stream);

fread()实现从流stream中读取加n个字段，每个字段为size字节，并将读取的字段放入ptr所指的字符数组中，返回实际已读取的字段数。在读取的字段数小于num时，可能是在函数调用时出现错误，也可能是读到文件的结尾。所以要通过调用feof()和ferror()来判断。

write()实现从缓冲区ptr所指的数组中把n个字段写到流stream中，每个字段长为size个字节，返回实际写入的字段数。

另外，C库函数还提供了读写过程中的定位能力，这些函数包括

int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);

int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *pos);

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

等。

关闭

利用C库函数关闭文件依然是很简单的操作：

int fclose (FILE *stream);

例程：将第2节中的例程用C库函数来实现。

#include

#define LENGTH 100

main()

{

FILE *fd;

char str[LENGTH];

fd = fopen("", "w+"); /* 创建并打开文件 */

if (fd)

{

fputs("Hello, Software Weekly", fd); /* 写入Hello, software weekly字符串 */

fclose(fd);

}

fd = fopen("", "r");

fgets(str, LENGTH, fd); /* 读取文件内容 */

printf("%sn", str);

fclose(fd);

}

4.小结

Linux提供的虚拟文件系统为多种文件系统提供了统一的接口，Linux的文件编程有两种途径：基于Linux系统调用；基于C库函数。这两种编程所涉及到文件操作有新建、打开、读写和关闭，对随机文件还可以定位。本章对这两种编程方法都给出了具体的实例。

三 进程控制与进程通信编程

进程

Linux进程在内存中包含三部分数据：代码段、堆栈段和数据段。代码段存放了程序的代码。代码段可以为机器中运行同一程序的数个进程共享。堆栈段存放的是子程序（函数）的返回地址、子程序的参数及程序的局部变量。而数据段则存放程序的全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间（比如用malloc函数申请的内存）。与代码段不同，如果系统中同时运行多个相同的程序，它们不能使用同一堆栈段和数据段。

Linux进程主要有如下几种状态：用户状态（进程在用户状态下运行的状态）、内核状态（进程在内核状态下运行的状态）、内存中就绪（进程没有执行，但处于就绪状态，只要内核调度它，就可以执行）、内存中睡眠（进程正在睡眠并且处于内存中，没有被交换到SWAP设备）、就绪且换出（进程处于就绪状态，但是必须把它换入内存，内核才能再次调度它进行运行）、睡眠且换出（进程正在睡眠，且被换出内存）、被抢先（进程从内核状态返回用户状态时，内核抢先于它，做了上下文切换，调度了另一个进程，原先这个进程就处于被抢先状态）、创建状态（进程刚被创建，该进程存在，但既不是就绪状态，也不是睡眠状态，这个状态是除了进程0以外的所有进程的最初状态）、僵死状态（进程调用exit结束，进程不再存在，但在进程表项中仍有记录，该记录可由父进程收集）。

下面我们来以一个进程从创建到消亡的过程讲解Linux进程状态转换的“生死因果”。

（1）进程被父进程通过系统调用fork创建而处于创建态；

（2）fork调用为子进程配置好内核数据结构和子进程私有数据结构后，子进程进入就绪态（或者在内存中就绪，或者因为内存不够而在SWAP设备中就绪）；

（3）若进程在内存中就绪，进程可以被内核调度程序调度到CPU运行；

（4）内核调度该进程进入内核状态，再由内核状态返回用户状态执行。该进程在用户状态运行一定时间后，又会被调度程序所调度而进入内核状态，由此转入就绪态。有时进程在用户状态运行时，也会因为需要内核服务，使用系统调用而进入内核状态，服务完毕，会由内核状态转回用户状态。要注意的是，进程在从内核状态向用户状态返回时可能被抢占，这是由于有优先级更高的进程急需使用CPU，不能等到下一次调度时机，从而造成抢占；

（5）进程执行exit调用，进入僵死状态，最终结束。

2.进程控制

进程控制中主要涉及到进程的创建、睡眠和退出等，在Linux中主要提供了fork、exec、clone的进程创建方法，sleep的进程睡眠和exit的进程退出调用，另外Linux还提供了父进程等待子进程结束的系统调用wait。

fork

对于没有接触过Unix/Linux操作系统的人来说，fork是最难理解的概念之一，它执行一次却返回两个

值，完全“不可思议”。先看下面的程序：

int main()

{

int i;

if (fork() == 0)

{

for (i = 1; i < 3; i++)

printf("This is child processn");

}

else

{

for (i = 1; i < 3; i++)

printf("This is parent processn");

}

}

执行结果为：

This is child process

This is child process

This is parent process

This is parent process

fork在英文中是“分叉”的意思，这个名字取得很形象。一个进程在运行中，如果使用了fork，就产生了另一个进程，于是进程就“分叉”了。当前进程为父进程，通过fork()会产生一个子进程。对于父进程，fork函数返回子程序的进程号而对于子程序，fork函数则返回零，这就是一个函数返回两次的本质。可以说，fork函数是Unix系统最杰出的成就之一，它是七十年代Unix早期的开发者经过理论和实践上的长期艰苦探索后取得的成果。

如果我们把上述程序中的循环放的大一点：

int main()

{

int i;

if (fork() == 0)

{

for (i = 1; i < 10000; i++)

printf("This is child processn");

}

else

{

for (i = 1; i < 10000; i++)

printf("This is parent processn");

}

}

则可以明显地看到父进程和子进程的并发执行，交替地输出“This is child process”和“This is parent

process”。

此时此刻，我们还没有完全理解fork()函数，再来看下面的一段程序，看看究竟会产生多少个进程，程序的输出是什么？

int main()

{

int i;

for (i = 0; i < 2; i++)

{

if (fork() == 0)

{

printf("This is child processn");

}

else

{

printf("This is parent processn");

}

}

}

exec

在Linux中可使用exec函数族，包含多个函数（execl、execlp、execle、execv、execve和execvp），被用于启动一个指定路径和文件名的进程。

exec函数族的特点体现在：某进程一旦调用了exec类函数，正在执行的程序就被干掉了，系统把代码段替换成新的程序（由exec类函数执行）的代码，并且原有的数据段和堆栈段也被废弃，新的数据段与堆栈段被分配，但是进程号却被保留。也就是说，exec执行的结果为：系统认为正在执行的还是原先的进程，但是进程对应的程序被替换了。

fork函数可以创建一个子进程而当前进程不死，如果我们在fork的子进程中调用exec函数族就可以实现既让父进程的代码执行又启动一个新的指定进程，这实在是很妙的。fork和exec的搭配巧妙地解决了程序启动另一程序的执行但自己仍继续运行的问题，请看下面的例子：

char command[MAX_CMD_LEN];

void main()

{

int rtn; /* 子进程的返回数值 */

while (1)

{

/* 从终端读取要执行的命令 */

printf(">");

fgets(command, MAX_CMD_LEN, stdin);

command[strlen(command) - 1] = 0;

if (fork() == 0)

{

/* 子进程执行此命令 */

execlp(command, command);

/* 如果exec函数返回，表明没有正常执行命令，打印错误信息*/

perror(command);

exit(errorno);

}

else

{

/* 父进程，等待子进程结束，并打印子进程的返回值 */

wait(&rtn);

printf(" child process return %dn", rtn);

}

}

}

这个函数基本上实现了一个shell的功能，它读取用户输入的进程名和参数，并启动对应的进程。

clone

clone是Linux2.0以后才具备的新功能，它较fork更强（可认为fork是clone要实现的一部分），可以使得创建的子进程共享父进程的资源，并且要使用此函数必须在编译内核时设置clone_actually_works_ok选项。

clone函数的原型为：

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

此函数返回创建进程的PID，函数中的flags标志用于设置创建子进程时的相关选项，具体含义如下表：

标志

CLONE_PARENTCLONE_FS

CLONE_FILES

CLONE_NEWNS

含义

创建的子进程的父进程是调用者的父进程，新进程与创建它的进程成了“兄弟”而不是“父子”

子进程与父进程共享相同的文件系统，包括root、当前目录、umask

子进程与父进程共享相同的文件描述符（file descriptor）表

在新的namespace启动子进程，namespace描述了进程的文件hierarchy

CLONE_SIGHAND

子进程与父进程共享相同的信号处理（signal handler）表

CLONE_PTRACECLONE_VFORK

CLONE_VM

CLONE_PID

CLONE_THREAD

来看下面的例子：

int variable, fd;

int do_something() {

variable = 42;

close(fd);

_exit(0);

}

int main(int argc, char *argv[]) {

void **child_stack;

char tempch;

variable = 9;

fd = open("", O_RDONLY);

child_stack = (void **) malloc(16384);

printf("The variable was %dn", variable);

clone(do_something, child_stack, CLONE_VM|CLONE_FILES, NULL);

sleep(1); /* 延时以便子进程完成关闭文件操作、修改变量 */

printf("The variable is now %dn", variable);

if (read(fd, &tempch, 1) < 1) {

perror("File Read Error");

exit(1);

}

printf("We could read from the filen");

return 0;

}

运行输出：

The variable is now 42

File Read Error

若父进程被trace，子进程也被trace

父进程被挂起，直至子进程释放虚拟内存资源

子进程与父进程运行于相同的内存空间

子进程在创建时PID与父进程一致

Linux 2.4中增加以支持POSIX线程标准，子进程与父进程共享相同的线程群

程序的输出结果告诉我们，子进程将文件关闭并将变量修改（调用clone时用到的CLONE_VM、CLONE_FILES标志将使得变量和文件描述符表被共享），父进程随即就感觉到了，这就是clone的特点。

sleep

函数调用sleep可以用来使进程挂起指定的秒数，该函数的原型为：

unsigned int sleep(unsigned int seconds);

该函数调用使得进程挂起一个指定的时间，如果指定挂起的时间到了，该调用返回0；如果该函数调用被信号所打断，则返回剩余挂起的时间数（指定的时间减去已经挂起的时间）。

exit

系统调用exit的功能是终止本进程，其函数原型为：

void _exit(int status);

_exit会立即终止发出调用的进程，所有属于该进程的文件描述符都关闭。参数status作为退出的状态值返回父进程，在父进程中通过系统调用wait可获得此值。

wait

wait系统调用包括：

pid_t wait(int *status);

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

wait的作用为发出调用的进程只要有子进程，就睡眠到它们中的一个终止为止；

waitpid等待由参数pid指定的子进程退出。

四

“线程”控制与“线程”通信编程

“线程”

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。

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。

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

(@)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;

}

32、VxWorks、Linux线程类比

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

线程创建

WIN32 VxWorks Linux

CreateThread taskSpawn pthread_create

由线程本身执行完成后退出；线程自身调执行完成后退出；由线执行完成后退出；线程终止

被其用ExitThread函数即终止自程本身调用exit退出；调用pthread_exit 退出；己；被其他线程调用函数被其他线程调用函数他线程调用函数TerminateThread函数

获取线程ID

创建互斥

taskDelete终止

pthread_cance终止

pthread_self GetCurrentThreadId taskIdSelf

CreateMutex semMCreate pthread_mutex_init

获取互斥

释放互斥

创建信号量

等待信号量

释放信号量

WaitForSingleObjectWaitForMultipleObjects

、semTake pthread_mutex_lock

ReleaseMutex semGive phtread_mutex_unlock

CreateSemaphore

semBCreatesemCCreate

、sem_init

WaitForSingleObject semTake sem_wait

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。

五 驱动程序设计

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。

5.实例

笔者最近设计了一块采用三星S3C2410 ARM处理器的电路板（ARM处理器广泛应用于手机、PDA等嵌入式系统），板上包含四个用户可编程的发光二极管（LED），这些LED连接在ARM处理器的可编程I/O口（GPIO）上。下图给出了ARM中央处理器与LED的连接原理：

我们在ARM处理器上移植Linux操作系统，现在来编写这些LED的驱动：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define DEVICE_NAME "leds" /*定义led 设备的名字*/

#define LED_MAJOR 231 /*定义led 设备的主设备号*/

static unsigned long led_table[] =

{

/*I/O 方式led 设备对应的硬件资源*/

GPIO_B10, GPIO_B8, GPIO_B5, GPIO_B6,

};

/*使用ioctl 控制led*/

static int leds_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,

unsigned long arg)

{

switch (cmd)

{

case 0:

case 1:

if (arg > 4)

{

return -EINVAL;

}

write_gpio_bit(led_table[arg], !cmd);

default:

return -EINVAL;

}

}

static struct file_operations leds_fops =

{

owner: THIS_MODULE, ioctl: leds_ioctl,

};

static devfs_handle_t devfs_handle;

static int __init leds_init(void)

{

int ret;

int i;

/*在内核中注册设备*/

ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &leds_fops);

if (ret < 0)

{

printk(DEVICE_NAME " can't register major numbern");

return ret;

}

devfs_handle = devfs_register(NULL, DEVICE_NAME, DEVFS_FL_DEFAULT, LED_MAJOR,

0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, &leds_fops, NULL);

/*使用宏进行端口初始化，set_gpio_ctrl 和write_gpio_bit 均为宏定义*/

for (i = 0; i < 8; i++)

{

set_gpio_ctrl(led_table[i] | GPIO_PULLUP_EN | GPIO_MODE_OUT);

write_gpio_bit(led_table[i], 1);

}

printk(DEVICE_NAME " initializedn");

return 0;

}

static void __exit leds_exit(void)

{

devfs_unregister(devfs_handle);

unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME);

}

module_init(leds_init);

module_exit(leds_exit);

使用命令方式编译led 驱动模块：

#arm-linux-gcc -D__KERNEL__ -I/arm/kernel/include

-DKBUILD_BASENAME=leds -DMODULE -c -o leds.o leds.c

以上命令将生成leds.o 文件，把该文件复制到板子的/lib目录下，使用以下命令就可以安装leds驱动模块：

#insmod /lib/ leds.o

删除该模块的命令是：

#rmmod leds

6.小结

本章讲述了Linux设备驱动程序的入口函数及驱动程序中的内存申请、中断等，并给出了一个通过ARM处理器的GPIO口控制LED的驱动实例。

六Makefile的automake生成

作为Linux下的程序开发人员，大家一定都遇到过Makefile，用make命令来编译自己写的程序确实是很方便。一般情况下，大家都是手工写一个简单Makefile，如果要想写出一个符合自由软件惯例的Makefile就不那么容易了。

在本文中，将给大家介绍如何使用autoconf和automake两个工具来帮助我们自动地生成符合自由软件惯例的Makefile，这样就可以象常见的GNU程序一样，只要使用“./configure”，“make”，“make instal”就可以把程序安装到Linux系统中去了。这将特别适合想做开放源代码软件的程序开发人员，又或如果你只是自己写些小的Toy程序，那么这个文章对你也会有很大的帮助。

一、Makefile介绍

Makefile是用于自动编译和链接的，一个工程有很多文件组成，每一个文件的改变都会导致工程的重新链接，但是不是所有的文件都需要重新编译，Makefile中纪录有文件的信息，在make时会决定在链接的时候需要重新编译哪些文件。

Makefile的宗旨就是：让编译器知道要编译一个文件需要依赖其他的哪些文件。当那些依赖文件有了改变，编译器会自动的发现最终的生成文件已经过时，而重新编译相应的模块。

Makefile的基本结构不是很复杂，但当一个程序开发人员开始写Makefile时，经常会怀疑自己写的是否符合惯例，而且自己写的Makefile经常和自己的开发环境相关联，当系统环境变量或路径发生了变化后，Makefile可能还要跟着修改。这样就造成了手工书写Makefile的诸多问题，automake恰好能很好地帮助我们解决这些问题。

使用automake，程序开发人员只需要写一些简单的含有预定义宏的文件，由autoconf根据一个宏文件生成configure，由automake根据另一个宏文件生成，再使用configure依据来生成一个符合惯例的Makefile。下面我们将详细介绍Makefile的automake生成方法。

二、使用的环境

本文所提到的程序是基于Linux发行版本：Fedora Core release 1，它包含了我们要用到的autoconf，automake。

三、从helloworld入手

我们从大家最常使用的例子程序helloworld开始。下面的过程如果简单地说来就是： 新建三个文件：

helloworld.c

然后执行：

aclocal; autoconf; automake --add-missing; ./configure; make; ./helloworld

就可以看到Makefile被产生出来，而且可以将helloworld.c编译通过。

很简单吧，几条命令就可以做出一个符合惯例的Makefile，感觉如何呀。

现在开始介绍详细的过程：

1、建目录

在你的工作目录下建一个helloworld目录，我们用它来存放helloworld程序及相关文件，如在/home/my/build下：

$ mkdir helloword

$ cd helloworld

2、 helloworld.c

然后用你自己最喜欢的编辑器写一个hellowrold.c文件，如命令：vi helloworld.c。使用下面的代码作为helloworld.c的内容。

int main(int argc, char** argv)

{

printf("Hello, Linux World!n");

return 0;

}

完成后保存退出。

现在在helloworld目录下就应该有一个你自己写的helloworld.c了。

3、生成configure

使用autoscan命令来帮助我们根据目录下的源代码生成一个的模板文件。

命令：

$ autoscan

$ ls

helloworld.c

执行后在hellowrold目录下会生成一个文件：，我们可以拿它作为的蓝本。

现在将改名为，并且编辑它，按下面的内容修改，去掉无关的语句：

=====================================================================

# -*- Autoconf -*-

# Process this file with autoconf to produce a configure script.

AC_INIT(helloworld.c)

AM_INIT_AUTOMAKE(helloworld, 1.0)

# Checks for programs.

AC_PROG_CC

# Checks for libraries.

# Checks for header files.

# Checks for typedefs, structures, and compiler characteristics.

内容开始

# Checks for library functions.

AC_OUTPUT(Makefile)

=====================================================================

然后执行命令aclocal和autoconf，分别会产生aclocal.m4及configure两个文件：

$ aclocal

$ls

aclocal.m4 helloworld.c

$ autoconf

$ ls

aclocal.m4 configure helloworld.c

可以看到内容是一些宏定义，这些宏经autoconf处理后会变成检查系统特性、环境变量、软件必须的参数的shell脚本。

autoconf 是用来生成自动配置软件源代码脚本（configure）的工具。configure脚本能独立于autoconf运行，且在运行的过程中，不需要用户的干预。

要生成configure文件，你必须告诉autoconf如何找到你所用的宏。方式是使用aclocal程序来生成你的aclocal.m4。

aclocal根据文件的内容，自动生成aclocal.m4文件。aclocal是一个perl 脚本程序，它的定义是：“aclocal - create aclocal.m4 by scanning ”。

autoconf从这个列举编译软件时所需要各种参数的模板文件中创建configure。

autoconf需要GNU m4宏处理器来处理aclocal.m4，生成configure脚本。

m4是一个宏处理器。将输入拷贝到输出，同时将宏展开。宏可以是内嵌的，也可以是用户定义的。除了可以展开宏，m4还有一些内建的函数，用来引用文件，执行命令，整数运算，文本操作，循环等。m4既可以作为编译器的前端，也可以单独作为一个宏处理器。

4、新建

新建文件，命令：

$ vi

内容如下:

AUTOMAKE_OPTIONS=foreign

bin_PROGRAMS=helloworld

helloworld_SOURCES=helloworld.c

automake会根据你写的来自动生成。

中定义的宏和目标,会指导automake生成指定的代码。例如，宏bin_PROGRAMS将导致编译和连接的目标被生成。

5、运行automake

命令：

内容结束

$ automake --add-missing

: installing `./install-sh'

: installing `./mkinstalldirs'

: installing `./missing'

: installing `./depcomp'

automake会根据文件产生一些文件，包含最重要的。

6、执行configure生成Makefile

$ ./configure

checking for a /usr/bin/install -c

checking whether build environment yes

checking gawk

checking whether make sets $(MAKE)... yes

checking gcc

checking for C compiler

checking whether the C yes

checking whether we are no

checking for suffix

checking for suffix of o

checking whether we are using the GNU yes

checking whether gcc accepts -g... yes

checking for gcc option to accept none needed

checking for style of include used GNU

checking dependency style gcc3

configure: creating ./

: creating Makefile

: executing depfiles commands

$ ls -l Makefile

-rw-rw-r-- 1 yutao yutao 15035 Oct 15 10:40 Makefile

你可以看到，此时Makefile已经产生出来了。

7、使用Makefile编译代码

$ make

if gcc -DPACKAGE_NAME="" -DPACKAGE_TARNAME="" -DPACKAGE_VERSION="" -

DPACKAGE_STRING="" -DPACKAGE_BUGREPORT="" -DPACKAGE="helloworld"

-DVERSION="1.0"

-I. -I. -g -O2 -MT helloworld.o -MD -MP -MF ".deps/"

-c -o helloworld.o `test -f 'helloworld.c' || echo './'`helloworld.c;

then mv -f ".deps/" ".deps/";

else rm -f ".deps/"; exit 1;

fi

gcc -g -O2 -o helloworld helloworld.o

运行helloworld

$ ./helloworld

Hello, Linux World!

这样helloworld就编译出来了，你如果按上面的步骤来做的话，应该也会很容易地编译出正确的helloworld文件。你还可以试着使用一些其他的make命令，如make clean，make install，make dist，看看它们会给你什么样的效果。感觉如何？自己也能写出这么专业的Makefile，老板一定会对你刮目相看。

四、深入浅出

针对上面提到的各个命令，我们再做些详细的介绍。

1、 autoscan

autoscan是用来扫描源代码目录生成文件的。autoscan可以用目录名做为参数，但如果你不使用参数的话，那么autoscan将认为使用的是当前目录。autoscan将扫描你所指定目录中的源文件，并创建文件。

2、

包含了系统配置的基本选项，里面都是一些宏定义。我们需要将它改名为

3、 aclocal

aclocal是一个perl 脚本程序。aclocal根据文件的内容，自动生成aclocal.m4文件。aclocal的定义是：“aclocal - create aclocal.m4 by scanning ”。

4、 autoconf

autoconf是用来产生configure文件的。configure是一个脚本，它能设置源程序来适应各种不同的操作系统平台，并且根据不同的系统来产生合适的Makefile，从而可以使你的源代码能在不同的操作系统平台上被编译出来。

文件的内容是一些宏，这些宏经过autoconf 处理后会变成检查系统特性、环境变量、软件必须的参数的shell脚本。文件中的宏的顺序并没有规定，但是你必须在所有宏的最前面和最后面分别加上AC_INIT宏和AC_OUTPUT宏。

在中：

#号表示注释，这个宏后面的内容将被忽略。

AC_INIT(FILE)

这个宏用来检查源代码所在的路径。

AM_INIT_AUTOMAKE(PACKAGE, VERSION)

这个宏是必须的，它描述了我们将要生成的软件包的名字及其版本号：PACKAGE是软件包的名字，VERSION是版本号。当你使用make dist命令时，它会给你生成一个类似的软件发行包，其中就有对应的软件包的名字和版本号。

AC_PROG_CC

这个宏将检查系统所用的C编译器。

AC_OUTPUT(FILE)

这个宏是我们要输出的Makefile的名字。

我们在使用automake时，实际上还需要用到其他的一些宏，但我们可以用aclocal 来帮我们自动产生。执行aclocal后我们会得到aclocal.m4文件。

产生了和aclocal.m4 两个宏文件后，我们就可以使用autoconf来产生configure文件了。

5、

是用来生成的，需要你手工书写。中定义了一些内容：

AUTOMAKE_OPTIONS

这个是automake的选项。在执行automake时，它会检查目录下是否存在标准GNU软件包中应具备的各种文件，例如AUTHORS、ChangeLog、NEWS等文件。我们将其设置成foreign时，automake会改用一般软件包的标准来检查。

bin_PROGRAMS

这个是指定我们所要产生的可执行文件的文件名。如果你要产生多个可执行文件，那么在各个名字间用空格隔开。

helloworld_SOURCES

这个是指定产生“helloworld”时所需要的源代码。如果它用到了多个源文件，那么请使用空格符号将它们隔开。比如需要helloworld.h，helloworld.c那么请写成helloworld_SOURCES= helloworld.h helloworld.c。

如果你在bin_PROGRAMS定义了多个可执行文件，则对应每个可执行文件都要定义相对的filename_SOURCES。

6、 automake

我们使用automake --add-missing来产生。

选项--add-missing的定义是“add missing standard files to package”，它会让automake加入一个标准的软件包所必须的一些文件。

我们用automake产生出来的文件是符合GNU Makefile惯例的，接下来我们只要执行configure这个shell 脚本就可以产生合适的 Makefile 文件了。

7、 Makefile

在符合GNU Makefiel惯例的Makefile中，包含了一些基本的预先定义的操作：

make

根据Makefile编译源代码，连接，生成目标文件，可执行文件。

make clean

清除上次的make命令所产生的object文件（后缀为“.o”的文件）及可执行文件。

make install

将编译成功的可执行文件安装到系统目录中，一般为/usr/local/bin目录。

make dist

产生发布软件包文件（即distribution package）。这个命令将会将可执行文件及相关文件打包成一个压缩的文件用来作为发布软件的软件包。

它会在当前目录下生成一个名字类似“”的文件。PACKAGE和VERSION，是我们在中定义的AM_INIT_AUTOMAKE(PACKAGE, VERSION)。

make distcheck

生成发布软件包并对其进行测试检查，以确定发布包的正确性。这个操作将自动把压缩包文件解开，

然后执行configure命令，并且执行make，来确认编译不出现错误，最后提示你软件包已经准备好，可以发布了。

===============================================

is ready for distribution

===============================================

make distclean

类似make clean，但同时也将configure生成的文件全部删除掉，包括Makefile。

五、结束语

通过上面的介绍，你应该可以很容易地生成一个你自己的符合GNU惯例的Makefile文件及对应的项目文件。

如果你想写出更复杂的且符合惯例的Makefile，你可以参考一些开放代码的项目中的和文件，比如：嵌入式数据库sqlite，单元测试cppunit。

七

Linux系统下的多线程编程

引言

线程（thread）技术早在60年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在80年代中期，solaris是这方面的佼佼者。传统的Unix也支持线程的概念，但是在一个进程（process）中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括Windows/NT，当然，也包括Linux。

为什么有了进程的概念后，还要再引入线程呢？使用多线程到底有哪些好处？什么的系统应该选用多线程？我们首先必须回答这些问题。

使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。我们知道，在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。

使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子程序中声明为static的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方。

除了以上所说的优点外，不和进程比较，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当然有以下的优点：

1) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作（time consuming）置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况。

2) 使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上。

3) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。

下面我们先来尝试编写一个简单的多线程程序。

简单的多线程编程

Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。顺便说一下，Linux下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。clone（）是Linux所特有的系统调用，它的使用方式类似fork，关于clone（）的详细情况，有兴趣的读者可以去查看有关文档说明。下面我们展示一个最简单的多线程程序example1.c。

/* example.c*/

#include

#include

void thread(void)

{

int i;

for(i=0;i<3;i++)

printf("This is a pthread.n");

}

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");

pthread_join(id,NULL);

return (0);

}

我们编译此程序：

gcc example1.c -lpthread -o example1

运行example1，我们得到如下结果：

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.

再次运行，我们可能得到如下结果：

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.

前后两次结果不一样，这是两个线程争夺CPU资源的结果。上面的示例中，我们使用到了两个函数，pthread_create和pthread_join，并声明了一个pthread_t型的变量。

pthread_t在头文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中定义：

typedef unsigned long int pthread_t;

它是一个线程的标识符。函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：

extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,void

*(*__start_routine) (void *), void *__arg));

第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。这里，我们的函数thread不需要参数，所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。对线程属性的设定和修改我们将在下一节阐述。当创建线程成功时，函数返回0，若不为0则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为EAGAIN和EINVAL。前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。

函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为：

extern int pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return));

第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。一个线程的结束有两种途径，一种是象我们上面的例子一样，函数结束了，调用它的线程也就结束了；另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。它的函数原型为：

extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__));

唯一的参数是函数的返回代码，只要pthread_join中的第二个参数thread_return不是NULL，这个值将被传递给thread_return。最后要说明的是，一个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用pthread_join的线程则返回错误代码ESRCH。

在这一节里，我们编写了一个最简单的线程，并掌握了最常用的三个函数pthread_create，pthread_join和pthread_exit。下面，我们来了解线程的一些常用属性以及如何设置这些属性。

修改线程的属性

在上一节的例子里，我们用pthread_create函数创建了一个线程，在这个线程中，我们使用了默认参数，即将该函数的第二个参数设为NULL。的确，对大多数程序来说，使用默认属性就够了，但我们还是有必要来了解一下线程的有关属性。

属性结构为pthread_attr_t，它同样在头文件/usr/include/pthread.h中定义，喜欢追根问底的人可以自己去查看。属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。属性对象主要包括是否绑定、是否分离、堆栈地址、堆栈大小、优先级。默认的属性为非绑定、非分离、缺省1M的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

关于线程的绑定，牵涉到另外一个概念：轻进程（LWP：Light Weight Process）。轻进程可以理解为内核线程，它位于用户层和系统层之间。系统对线程资源的分配、对线程的控制是通过轻进程来实现的，一个轻进程可以控制一个或多个线程。默认状况下，启动多少轻进程、哪些轻进程来控制哪些线程是由系统来控制的，这种状况即称为非绑定的。绑定状况下，则顾名思义，即某个线程固定的"绑"在一个轻进程之上。被绑定的线程具有较高的响应速度，这是因为CPU时间片的调度是面向轻进程的，绑定的线程可以保证在需要的时候它总有一个轻进程可用。通过设置被绑定的轻进程的优先级和调度级可以使得绑定的线程满足诸如实时反应之类的要求。

设置线程绑定状态的函数为pthread_attr_setscope，它有两个参数，第一个是指向属性结构的指针，第二个是绑定类型，它有两个取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（绑定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非绑定的）。下面的代码即创建了一个绑定的线程。

#include

pthread_attr_t attr;

pthread_t tid;

/*初始化属性值，均设为默认值*/

pthread_attr_init(&attr);

pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);

pthread_create(&tid, &attr, (void *) my_function, NULL);

线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在上面的例子中，我们采用了线程的默认属性，即为非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join（）函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。而分离线程不是这样子的，它没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。程序员应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。设置线程分离状态的函数为pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。第二个参数可选为PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）。这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timewait函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait（）之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。

另外一个可能常用的属性是线程的优先级，它存放在结构sched_param中。用函数pthread_attr_getschedparam和函数pthread_attr_setschedparam进行存放，一般说来，我们总是先取优先级，对取得的值修改后再存放回去。下面即是一段简单的例子。

#include

#include

pthread_attr_t attr;

pthread_t tid;

sched_param param;

int newprio=20;

pthread_attr_init(&attr);

pthread_attr_getschedparam(&attr, ¶m);

_priority=newprio;

pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m);

pthread_create(&tid, &attr, (void *)myfunction, myarg);

线程的数据处理

和进程相比，线程的最大优点之一是数据的共享性，各个进程共享父进程处沿袭的数据段，可以方便的获得、修改数据。但这也给多线程编程带来了许多问题。我们必须当心有多个不同的进程访问相同的变量。许多函数是不可重入的，即同时不能运行一个函数的多个拷贝（除非使用不同的数据段）。在函数中声明的静态变量常常带来问题，函数的返回值也会有问题。因为如果返回的是函数内部静态声明的空间的地址，则在一个线程调用该函数得到地址后使用该地址指向的数据时，别的线程可能调用此函数并修改了这一段数据。在进程中共享的变量必须用关键字volatile来定义，这是为了防止编译器在优化时（如gcc中使用-OX参数）改变它们的使用方式。为了保护变量，我们必须使用信号量、互斥等方法来保证我们对变量的正确使用。下面，我们就逐步介绍处理线程数据时的有关知识。

1、线程数据

在单线程的程序里，有两种基本的数据：全局变量和局部变量。但在多线程程序里，还有第三种数据类型：线程数据（TSD: Thread-Specific Data）。它和全局变量很象，在线程内部，各个函数可以象使用全局变量一样调用它，但它对线程外部的其它线程是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。例如我们常见的变量errno，它返回标准的出错信息。它显然不能是一个局部变量，几乎每个函数都应该可以调用它；但它又不能是一个全局变量，否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。要实现诸如此类的变量，我们就必须使用线程数据。我们为每个线程数据创建一个键，它和这个键相关联，在各个线程里，都使用这个键来指代线程数据，但在不同的线程里，这个键代表的数据是不同的，在同一个线程里，它代表同样的数据内容。

和线程数据相关的函数主要有4个：创建一个键；为一个键指定线程数据；从一个键读取线程数据；删除键。

创建键的函数原型为：

extern int pthread_key_create __P ((pthread_key_t *__key,void (*__destr_function) (void *)));

第一个参数为指向一个键值的指针，第二个参数指明了一个destructor函数，如果这个参数不为空，那么当每个线程结束时，系统将调用这个函数来释放绑定在这个键上的内存块。这个函数常和函数pthread_once ((pthread_once_t*once_control, void (*initroutine) (void)))一起使用，为了让这个键只被创建一次。函数pthread_once声明一个初始化函数，第一次调用pthread_once时它执行这个函数，以后的调用将被它忽略。

在下面的例子中，我们创建一个键，并将它和某个数据相关联。我们要定义一个函数createWindow，这个函数定义一个图形窗口（数据类型为Fl_Window *，这是图形界面开发工具FLTK中的数据类型）。由于各个线程都会调用这个函数，所以我们使用线程数据。

/* 声明一个键*/

pthread_key_t myWinKey;

/* 函数 createWindow */

void createWindow ( void ) {

Fl_Window * win;

static pthread_once_t once= PTHREAD_ONCE_INIT;

/* 调用函数createMyKey，创建键*/

pthread_once ( & once, createMyKey) ;

/*win指向一个新建立的窗口*/

win=new Fl_Window( 0, 0, 100, 100, "MyWindow");

/* 对此窗口作一些可能的设置工作，如大小、位置、名称等*/

setWindow(win);

/* 将窗口指针值绑定在键myWinKey上*/

pthread_setpecific ( myWinKey, win);

}

/* 函数 createMyKey，创建一个键，并指定了destructor */

void createMyKey ( void ) {

pthread_keycreate(&myWinKey, freeWinKey);

}

/* 函数 freeWinKey，释放空间*/

void freeWinKey ( Fl_Window * win){

delete win;

}

这样，在不同的线程中调用函数createMyWin，都可以得到在线程内部均可见的窗口变量，这个变量通过函数pthread_getspecific得到。在上面的例子中，我们已经使用了函数pthread_setspecific来将线程数据和一个键绑定在一起。这两个函数的原型如下：

extern int pthread_setspecific __P ((pthread_key_t __key,__const void *__pointer));

extern void *pthread_getspecific __P ((pthread_key_t __key));

这两个函数的参数意义和使用方法是显而易见的。要注意的是，用pthread_setspecific为一个键指定新的线程数据时，必须自己释放原有的线程数据以回收空间。这个过程函数pthread_key_delete用来删除一个键，这个键占用的内存将被释放，但同样要注意的是，它只释放键占用的内存，并不释放该键关联的线程数据所占用的内存资源，而且它也不会触发函数pthread_key_create中定义的destructor函数。线程数据的释放必须在释放键之前完成。

2、互斥锁

互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码。必要性显而易见：假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的。

我们先看下面一段代码。这是一个读/写程序，它们公用一个缓冲区，并且我们假定一个缓冲区只能保存一条信息。即缓冲区只有两个状态：有信息或没有信息。

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;

/* 定义延迟时间*/

_sec = 2;

_nec = 0;

/* 用默认属性初始化一个互斥锁对象*/

pthread_mutex_init (&mutex,NULL);

pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);

writer_function( );

}

void writer_function (void){

while(1){

/* 锁定互斥锁*/

pthread_mutex_lock (&mutex);

if (buffer_has_item==0){

buffer=make_new_item( );

buffer_has_item=1;

}

/* 打开互斥锁*/

pthread_mutex_unlock(&mutex);

pthread_delay_np(&delay);

}

}

void reader_function(void){

while(1){

pthread_mutex_lock(&mutex);

if(buffer_has_item==1){

consume_item(buffer);

buffer_has_item=0;

}

pthread_mutex_unlock(&mutex);

pthread_delay_np(&delay);

}

}

这里声明了互斥锁变量mutex，结构pthread_mutex_t为不公开的数据类型，其中包含一个系统分配的属性对象。函数pthread_mutex_init用来生成一个互斥锁。NULL参数表明使用默认属性。如果需要声明特定属性的互斥锁，须调用函数pthread_mutexattr_init。函数pthread_mutexattr_setpshared和函数pthread_mutexattr_settype用来设置互斥锁属性。前一个函数设置属性pshared，它有两个取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用来不同进程中的线程同步，后者用于同步本进程的不同线程。在上面的例子中，我们使用的是默认属性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用来设置互斥锁类型，可选的类型有PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、PTHREAD_MUTEX_NORMAL、和PTHREAD PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_MUTEX_DEFAULT。它们分别定义了不同的上所、解锁机制，一般情况下，选用最后一个默认属性。

pthread_mutex_lock声明开始用互斥锁上锁，此后的代码直至调用pthread_mutex_unlock为止，均被上锁，即同一时间只能被一个线程调用执行。当一个线程执行到pthread_mutex_lock处时，如果该锁此时被另一个线程使用，那此线程被阻塞，即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁。在上面的例子中，我们使用了pthread_delay_np函数，让线程睡眠一段时间，就是为了防止一个线程始终占据此函数。

上面的例子非常简单，就不再介绍了，需要提出的是在使用互斥锁的过程中很有可能会出现死锁：两个线程试图同时占用两个资源，并按不同的次序锁定相应的互斥锁，例如两个线程都需要锁定互斥锁1和互斥锁2，a线程先锁定互斥锁1，b线程先锁定互斥锁2，这时就出现了死锁。此时我们可以使用函数pthread_mutex_trylock，它是函数pthread_mutex_lock的非阻塞版本，当它发现死锁不可避免时，它会返回相应的信息，程序员可以针对死锁做出相应的处理。另外不同的互斥锁类型对死锁的处理不一样，但最主要的还是要程序员自己在程序设计注意这一点。

3、条件变量

前一节中我们讲述了如何使用互斥锁来实现线程间数据的共享和通信，互斥锁一个明显的缺点是它只有两种状态：锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足，它常和互斥锁一起使用。使用时，条件变量被用来阻塞一个线程，当条件不满足时，线程往往解开相应的互斥锁并等待条件发生变化。一旦其它的某个线程改变了条件变量，它将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。这些线程将重新锁定互斥锁并重新测试条件是否满足。一般说来，条件变量被用来进行线承间的同步。

条件变量的结构为pthread_cond_t，函数pthread_cond_init（）被用来初始化一个条件变量。它的原型为：

extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));

其中cond是一个指向结构pthread_cond_t的指针，cond_attr是一个指向结构pthread_condattr_t的指针。结构pthread_condattr_t是条件变量的属性结构，和互斥锁一样我们可以用它来设置条件变量是进程内可用还是进程间可用，默认值是PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此条件变量被同一进程内的各个线程使用。注意初始化条件变量只有未被使用时才能重新初始化或被释放。释放一个条件变量的函数为pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。

函数pthread_cond_wait（）使线程阻塞在一个条件变量上。它的函数原型为：

extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,pthread_mutex_t *__mutex));

线程解开mutex指向的锁并被条件变量cond阻塞。线程可以被函数pthread_cond_signal和函数pthread_cond_broadcast唤醒，但是要注意的是，条件变量只是起阻塞和唤醒线程的作用，具体的判断条件还需用户给出，例如一个变量是否为0等等，这一点我们从后面的例子中可以看到。线程被唤醒后，它将重新检查判断条件是否满足，如果还不满足，一般说来线程应该仍阻塞在这里，被等待被下一次唤醒。这个过程一般用while语句实现。

另一个用来阻塞线程的函数是pthread_cond_timedwait（），它的原型为：

extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,pthread_mutex_t *__mutex, __const struct

timespec *__abstime));

它比函数pthread_cond_wait（）多了一个时间参数，经历abstime段时间后，即使条件变量不满足，阻塞也被解除。

函数pthread_cond_signal（）的原型为：

extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));

它用来释放被阻塞在条件变量cond上的一个线程。多个线程阻塞在此条件变量上时，哪一个线程被唤醒是由线程的调度策略所决定的。要注意的是，必须用保护条件变量的互斥锁来保护这个函数，否则条件满足信号又可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数之间被发出，从而造成无限制的等待。下面是使用函数pthread_cond_wait（）和函数pthread_cond_signal（）的一个简单的例子。

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值为0时，decrement函数在pthread_cond_wait处被阻塞，并打开互斥锁count_lock。此时，当调用到函数increment_count时，pthread_cond_signal（）函数改变条件变量，告知decrement_count（）停止阻塞。读者可以试着让两个线程分别运行这两个函数，看看会出现什么样的结果。

函数pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用来唤醒所有被阻塞在条件变量cond上的线程。这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁，所以必须小心使用这个函数。

4、信号量

信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。下面我们逐个介绍和信号量有关的一些函数，它们都在头文件/usr/include/semaphore.h中定义。

信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。函数sem_init（）用来初始化一个信号量。它的原型为：

extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));

sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为０时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。

函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。

函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。

函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。

下面我们来看一个使用信号量的例子。在这个例子中，一共有4个线程，其中两个线程负责从文件读取数据到公共的缓冲区，另两个线程从缓冲区读取数据作不同的处理（加和乘运算）。

/* File sem.c */

#include

#include

#include

#define MAXSTACK 100

int stack[MAXSTACK][2];

int size=0;

sem_t sem;

/* 从文件读取数据，每读一次，信号量加一*/

void ReadData1(void){

FILE *fp=fopen("","r");

while(!feof(fp)){

fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);

sem_post(&sem);

++size;

}

fclose(fp);

}

/*从文件读取数据*/

void ReadData2(void){

FILE *fp=fopen("","r");

while(!feof(fp)){

fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);

sem_post(&sem);

++size;

}

fclose(fp);

}

/*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/

void HandleData1(void){

while(1){

sem_wait(&sem);

printf("Plus:%d+%d=%dn",stack[size][0],stack[size][1],

stack[size][0]+stack[size][1]);

--size;

}

}

void HandleData2(void){

while(1){

sem_wait(&sem);

printf("Multiply:%d*%d=%dn",stack[size][0],stack[size][1],

stack[size][0]*stack[size][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);

/* 防止程序过早退出，让它在此无限期等待*/