linux线程基础篇----线程函数

linux编程--线程

一、线程概念

　　1.什么是线程

　　  LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程(在Linux环境下)

         进程：独立地址空间，拥有PCB

         线程：也有PCB，但没有独立的地址空间(共享)

         区别：在于是否共享地址空间。 独居(进程)；合租(线程)。                                                             

 

         Linux下： 线程：最小的执行单位

                         进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程。

          

　　2.线程共享资源与非共享资源

　　共享资源：                                                                   

                     1.文件描述符表

                     2.每种信号的处理方式

                     3.当前工作目录

                     4.用户ID和组ID

                     5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)

　　非共享资源：

　　　　　　1.线程id

         　　　  2.处理器现场和栈指针(内核栈)

        　　　   3.独立的栈空间(用户空间栈)（自己的栈空间）

      　　　　 4.errno变量

       　　　    5.信号屏蔽字

       　　　　 6.调度优先级

　　3.线程优缺点

　　  优点：     1. 提高程序并发性        2. 开销小        3. 数据通信、共享数据方便

         缺点：     1. 库函数，不稳定        2. 调试、编写困难、gdb不支持         3. 对信号支持不好

         优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。

 

二、线程控制函数 

 　　1.pthread_self()函数

　　获取线程ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。

　　函数原型：pthread_t pthread_self(void);          返回值：成功：0；       失败：无

　　线程ID：pthread_t类型，本质：在Linux下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现

       线程ID是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程ID允许相同)

       注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。

　　在主控线程中可以使用tid获得线程ID。

 　 2.pthread_create()函数　　

　　创建一个新线程。其作用，对应进程中fork() 函数。

　　函数原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

　　返回值：成功：0；失败：错误号 -----Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号，但不设置errno，所以无法使用perror

       函数打印错误信息，需要使用strerror函数将返回的错误号转换成错误信息后再打印。

　　参数：

　　　　1. thread：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID

        　  2. attr：通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数，后面线程属性会详细讲解。

         　 3. start_routine：函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。

      　　 4. arg：传递给线程主函数执行期间所使用的参数，回调函数。

　　示例代码：循环创建N个子线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程。(类似于进程循环创建子进程)  　

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void *tfn(void *arg)
{
    int i;

    i = (int)arg;
    sleep(i);     //通过i来区别每个线程
    printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu
", i+1, pthread_self());

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int n = 5, i;
    pthread_t tid;

    if (argc == 2)
        n = atoi(argv[1]);

    for (i = 0; i < n; i++) {
        pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);
        //将i转换为指针，在tfn中再强转回整形。
    }
    sleep(n);
    printf("I am main, and I am not a process, I'm a thread!
" 
            "main_thread_ID = %lu
", pthread_self());

    pthread_exit(NULL);
}

 　　思考：将pthread_create函数参4修改为(void *)&i, 将线程主函数内改为 i=*((int *)arg) 是否可以。

　　 答案：不可以，值传递与地址传递的区别，如果使用i=*((int *)arg)，就是地址传递，直接操作读取主控线程中的i值，

        而主控线程中的i值在for循环中一直自增，即第一个子线程创建出来后，i已经自增，在子线程中读取的是自增后的值，

        所以是从2开始打印的。     

 　  3.pthread_exit()函数

　  将单个线程退出，类似于进程中的exit()

　　函数原型：void pthread_exit(void *retval);     

       参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL，当retval不为NULL时，其值由pthread_join函数接收，后续会讲到

　　思考：使用exit将指定线程退出，可以吗？          

 　  结论：多线程环境中，应尽量少用，或者不使用exit函数，取而代之使用pthread_exit函数，将单个线程退出。任何线程里exit

       导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能return或exit。pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元

       必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

　　总结：

             return：返回到调用者那里去，在主线程使用return会将整个进程退出。

                pthread_exit()：将调用该函数的线程退出

              （在主控线程使用只是将线程退出，而不是整个进程退出，在主线程中使用return会将整个进程退出，

                 导致子线程来不及执行就结束了， 在主线程尽量不要要exit和return）              

                exit: 将进程退出，在线程中使用exit会导致整个进程退出，导致其他线程未执行，

　　　　　所以在多线程编程统一使用pthread_exit()函数。

 　 4.pthread_join()函数

　　阻塞等待线程退出，获取线程退出状态 ， 其作用对应进程中 waitpid() 函数。

　　函数原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

　　返回值：成功：0；失败：错误号

　　参数：thread：线程ID （【注意】：不是指针）；retval：存储线程结束状态（pthread_exit(void*)retval）的值）。

　　对比记忆：

                 进程中：main返回值、exit参数-->int；等待子进程结束 waitpid 函数参数-->int * status

                 线程中：线程主函数返回值、pthread_exit-->void *；等待线程结束 pthread_join 函数参数-->void **retval

　　示例代码：参数 retval 非空用法，使用pthread_join回收pthread_exit()的退出值　　

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct{
    int a;
    int b;
} exit_t;

void *tfn(void *arg)
{
    exit_t *ret;
    ret = malloc(sizeof(exit_t)); 

    ret->a = 100;
    ret->b = 300;
    pthread_exit((void *)ret);

    return NULL; //should not be here.
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    exit_t *retval;

    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    /*调用pthread_join可以获取线程的退出状态*/
    pthread_join(tid, (void **)&retval);
    printf("a = %d, b = %d 
", retval->a, retval->b);

    return 0;
}

　　总结：调用该函数的线程将挂起等待，直到id为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join

　　　　   得到的终止状态是不同的，总结如下：

　    　　   1.如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。

　　　　   2.如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。

　　　      3.如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。

　　　　   4.如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。

                    阻塞等待回收，防止僵尸线程；

　  示例代码：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int var = 100;

void *tfn(void *arg)
{
    int i;
    i = (int)arg;
    
    sleep(i);
    if (i == 1) {    //i = 0  100  333  333  777  777  
        var = 333;
        printf("var = %d
", var);
        pthread_exit((void *)var);

    } else  if (i == 3) {
        var = 777;
        printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu
 var = %d
", i+1, pthread_self(), var);
        pthread_exit((void *)var);

    } else  {

        printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu
 var = %d
", i+1, pthread_self(), var);
        pthread_exit((void *)var);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid[5];
    int i, *ret[5];

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(tid[i], (void **)&ret[i]);
        printf("-------%d 's ret = %d
", i, (int)ret[i]);
    }
    printf("I'm main pthread tid = %lu	 var = %d
", pthread_self(), var);

    pthread_exit(NULL);
}

 　5.pthread_detach()函数

　　实现线程分离,

       线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。

　　网络、多线程服务器常用。

       进程若有该机制，将不会产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要由于进程死后，大部分资源被释放，一点残留资源仍存于系统中，

　　导致内核认为该进程仍存在。也可使用 pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离，后续在线程属性中详细讲解。

　　函数原型：int pthread_detach(pthread_t thread); 

　　返回值： 成功：0；失败：错误号

　　示例代码：使用pthread_detach函数实现线程分离     　

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void *tfn(void *arg)
{
    int n = 3;
    while (n--) {
        printf("thread count %d
", n);
        sleep(1);
    }
    return (void *)1;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    void *tret;
    int err;

#if 1

    pthread_attr_t attr;            /*通过线程属性来设置游离态,必须在在线程创建前设置属性*/

    pthread_attr_init(&attr);

    pthread_attr_setdetachstate(&attr,    PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);

    pthread_attr_destroy(&attr);

#else

    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    pthread_detach(tid);        

#endif

    while (1) {
        err = pthread_join(tid, &tret);
        if (err != 0)
            fprintf(stderr, "thread %s
", strerror(err));
        else
            fprintf(stderr, "thread exit code %d
", (int)tret);
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

　　总结：1.一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join获取它的状态为止。但是线程也可以

                 被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的  所有资源而不保留终止状态。

                 2.不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join，这样的调用将返回EINVAL。

                 如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

 　6.pthread_cancel()函数

　  杀死(取消)线程 ，其作用对应进程中 kill() 函数。

　　 函数原型：int pthread_cancel(pthread_t thread);  

　　返回值： 成功：0；失败：错误号

　　注意事项：线程的取消并不是实时的，而又一定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)。

　　类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所(存档点，如：客栈、仓库、城里等)才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，

      必须要到达取消点。

　　取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用creat，open，pause，close，read，

　　write.....                                                                                                                                      ——参 APUE.12.7 取消选项。

　　可粗略认为一个系统调用(进入内核)即为一个取消点。

　　若线程主体函数长时间不会调用系统调用函数，可以自己手动添加取消点：pthread_testcancel(void);     //自己添加取消点

　　扩展：

　　设置线程可取消和不可取消状态函数：int pthread_setcancelstate(int  state,int *oldstate);

　　函数参数：state：分离属性，可分离或者不可分离，可以设置的参数为PTHREAD_CANCEL_ENABLE或者

　　　　　　　PTHREAD_CANCEL_DISABLE

　　　　　　　oldstate：函数将当前可取消状态设置为state，而将原来的可取消状态保存在oldstate所指向的内存空间，

                        这两步是原子操作， 不可分割

　　我们所默认的取消为推迟取消，即调用pthread_cancel函数后，在线程没有到达取消点之前，并不会取消。

       可以通过调用pthread_setcreatetype()来修改取消类型

　　函数原型：pthread_setcanceltype(int type,int *oldtype);

　　参数：type：参数可以设置为PTHREADCANCEL_DEFERRED或者PTHREADCANCEL_ASYNCHRONOUS，

　　　　　推迟取消或者异步取消

　　　　　oldtype：保存原来的状态

　　　　　使用异步取消时，可以在任意时间撤销而不需要非要遇到取消点

　　示例代码：终止线程的三种方法。注意“取消点”的概念。return，pthread_exit，pthread_cancel

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

void *tfn1(void *arg)
{
    printf("thread 1 returning
");
    return (void *)111; 
}

void *tfn2(void *arg)
{
    printf("thread 2 exiting
");
    pthread_exit((void *)222);
}

void *tfn3(void *arg)
{
    while (1) {
//        printf("thread 3: I'm going to die 1 seconds after...
");
//        sleep(1);
        pthread_testcancel();    //自己添加取消点
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    void *tret = NULL;

    pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 1 exit code = %d

", (int)tret);

    pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 2 exit code = %d

", (int)tret);

    pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 3 exit code = %d
", (int)tret);

    return 0;
}

　　总结：终止某个线程而不终止整个进程，有三种方法：

1. 从线程主函数return。这种方法对主控线程不适用，从main函数return相当于调用exit。
2. 一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
3. 线程可以调用pthread_exit终止自己。

　　7.线程与共享

　  【牢记】：线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助共享内存。

　　  示例代码：设计程序，验证线程之间共享全局数据。 　

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int var = 100;

void *tfn(void *arg)
{
    var = 200;
    printf("thread
");

    return NULL;
}

int main(void)
{
    printf("At first var = %d
", var);

    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    sleep(1);

    printf("after pthread_create, var = %d
", var);

    return 0;
}

　8.最终总结，控制函数对比　

     进程                            线程

      fork                     pthread_create

      exit                      pthread_exit

      waitpid                pthread_join

      kill                       pthread_cancel

      getpid                 pthread_self             命名空间

　 综合练习：多线程拷贝

　　

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

#define T_NUM 5             //默认线程数5
#define ITEMS 66            //'='的个数

void err_sys(void *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
void err_usr(char *str)
{
    fputs(str, stderr);
    exit(1);
}

/*每个线程都对应如下3个属性*/
typedef struct {             
    int off;    //拷贝的起始位置
    int size;   //拷贝的长度
    int t_no;   //自己是第几个被创建的线程
} arg_t;

char *s, *d;
int *done;      //为一个数组,每个元素记录每个线程完成任务字节数
int n = T_NUM;

void *tfn(void *arg)
{
    arg_t *arg_p; 
    int i;
    char *p, *q;

    arg_p = (arg_t *)arg;   //每个线程自己的结构体 arg{off, size, t_no}

    p = s + arg_p->off;     //当前线程执行拷贝任务,在原文件中的起始位置
    q = d + arg_p->off;     //目标文件的起始位置

    //每个线程按字节拷贝自己的任务,并将拷贝字节数写入字节对应的done数组中
    for (i = 0; i < arg_p->size; i++) {
        *q++ = *p++; 
        done[arg_p->t_no]++;   
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *display(void *arg)
{
    int size, interval, draw, sum, i, j;

    size = (int)arg;                        //文件总大小

    interval = size / ITEMS;                //每个'='所代表的字节数
    draw = 0;                               //画出的'='的个数

    while (draw < ITEMS) {
        for (i = 0, sum = 0; i < n; i++)    //借助done数组获取当前已经拷贝的总字节数
            sum += done[i];

        j = sum / interval;                 //计算到当前应该打印多少个'='

        for (; j > draw; draw++) {          //输出与线程拷贝字节数相对应个数的'='
            putchar('='); 
            fflush(stdout);
        }
    }
    putchar('
');

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int src, dst, i, len, off;
    struct stat statbuf;

    pthread_t *tid;
    arg_t *arr;

    if (argc != 3 && argc != 4) 
        err_usr("usage : cp src dst [thread_no]
");
    if (argc == 4)
        n = atoi(argv[3]);      //用户指定线程数,默认值5

    src = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src == -1)
        err_sys("fail to open");
    dst = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (dst == -1)
        err_sys("fail to open");

    if (fstat(src, &statbuf) == -1)
        err_sys("fail to stat");

    ftruncate(dst, statbuf.st_size);

    //源文件映射区首地址,保存在 全局变量s中,转换为指针方便定位操作，否则对文件只能使用lseek定位
    s = (char *)mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, src, 0);
    if (s == MAP_FAILED)
        err_sys("fail to mmap");

    //目标文件映射区首地址,保存在 全局变量d中
    d = (char *)mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_WRITE , MAP_SHARED, dst, 0);
    if (d == MAP_FAILED)
        err_sys("fail to mmap");

    close(src); close(dst);

    //pthread_t tid[n+1];   线程ID数组分配空间
    tid = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * (n+1));
    if (tid == NULL)
        err_sys("fail to malloc");

    //int done[n]   为int *done分配空间 
    done = (int *)calloc(sizeof(int), n);
    if (done == NULL)
        err_sys("fail to calloc");

    //arr[n]    为结构体数据arr分配空间 
    arr = (arg_t *)malloc(sizeof(arg_t) * n);
    if (arr == NULL)
        err_sys("fail to malloc");

    //计算每个线程应拷贝字节数, 起始偏移位置归零
    len = statbuf.st_size / n, off = 0;

    //计算出每个线程拷贝的起始地址, 对应i写入结构体数组arr
    for (i = 0; i < n; i++, off += len) 
        arr[i].off = off, arr[i].size = len, arr[i].t_no = i; 

    //调整下最后一个线程拷贝的字节个数
    arr[n-1].size += (statbuf.st_size % n);
    
    //创建拷贝线程, 对应i将每个线程arr[i]中记录的应拷贝的任务,传入线程主函数
    for(i = 0; i < n; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)&arr[i]);

    //创建进度线程, 传入文件总大小
    pthread_create(&tid[n], NULL, display, (void *)statbuf.st_size);

    //回收子线程
    for(i = 0; i < n+1; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);

    munmap(s, statbuf.st_size);
    munmap(d, statbuf.st_size);
    free(tid); free(done); free(arr);

    return 0;
}