Linux系统编程——线程（1）

前情提要： Linux用户级线程和内核级线程区别

目录

• 线程概要
  • Linux内核线程实现原理
  • 线程的共享/不共享资源
  • 线程优缺点
• 线程控制原语
  • pthread_self
  • pthread_create
  • pthread_exit
  • pthread_join
  • pthread_cancel
  • 终止线程方式
  • 控制原语对比

线程概要

Linux内核线程实现原理

类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。

1. 轻量级进程(light-weight process)，也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone

2. 从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的

3. 进程可以蜕变成线程

4. 线程可看做寄存器和栈的集合

5. 在linux下，线程最是小的执行单位；进程是最小的分配资源单位

查看线程命令：ps -elf|grep thread

三级映射：进程PCB --> 页目录(可看成数组，首地址位于PCB中) --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元

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线程的共享/不共享资源

线程共享资源	线程不共享资源
文件描述符表	线程id
每种信号的处理方式	处理器现场和栈指针（内核栈）
当前工作目录	独立的栈空间（用户空间栈）
用户ID和组ID	errno变量
内存地址空间(.text/.data/.bss/heap/共享库)	信号屏蔽字
	调度优先级

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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

线程控制原语

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pthread_self

获取线程ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。

​ 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)

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pthread_create

创建一个新线程。 其作用，对应进程中fork() 函数。

​ 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。

参数：

​ pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;

参数1：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID

​ 参数2：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。

​ 参数3：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。

​ 参数4：线程主函数执行期间所使用的参数。

练习：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库 -lpthread

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

void *tfn(void *arg)
{
	printf("I'm thread, Thread_ID = %lu
", pthread_self());
	return NULL;
}

int main(void)
{
	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	sleep(1);
	printf("I am main, my pid = %d
", getpid());

	return 0;
}

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，或者传参形式。而进程不共享全局变量，只能借助mmap。

全局变量：

#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;
}

传参：

#include <func.h>

void *tfn(void *arg){
    int* var = (int*)arg;
    *var = 200;
    printf("thread
");
    return NULL;
}

int main()
{
    int var = 100;
    printf("At first var = %d
", var);
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, &var);
    sleep(1);

    printf("after pthread_create, var = %d
", var);
    
    return 0;
}

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pthread_exit

作用：将单个线程退出

​ void pthread_exit(void *retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL

线程中，**禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出**。所以，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。

另注意，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。

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pthread_join

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。

​ int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 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。

​ 对比记忆：

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

​ 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 **

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。

#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);
}

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);      //wait(&status);
	printf("a = %d, b = %d 
", retval->a, retval->b);

	return 0;
}

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pthread_cancel

杀死(取消)线程 其作用，对应进程中 kill() 函数。

​ int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

​ 【注意】：线程的取消并不是实时的，而有一定的延时。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..... 执行命令man 7 pthreads可以查看具备这些取消点的系统调用列表。也可参阅 APUE.12.7 取消选项小节。

可粗略认为一个系统调用(进入内核)即为一个取消点。如线程中没有取消点，可以通过调用pthreestcancel函数自行设置一个取消点。

被取消的线程， 退出值定义在Linux的pthread库中。常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。可在头文件pthread.h中找到它的定义：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)****。因此当我们对一个已经被取消的线程使用pthread_join回收时，得到的返回值为-1。

终止线程的三种方法。注意“取消点”的概念。

#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 in 3 seconds ...
");
		//sleep(1);

		pthread_testcancel();	//自己添加取消点*/
	}

    return (void *)666;
}

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;
}

终止线程方式

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。

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控制原语对比

​ 进程 线程

​ fork pthread_create

​ exit pthread_exit

​ wait pthread_join

​ kill pthread_cancel

​ getpid pthread_self 命名空间