与进程（ process）类似1，线程（ thread）是允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。如图 29-1 所示，一个进程可以包含多个线程。同一程序中的所有线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域，其中包括初始化数据段（ initialized data）、未初始化数据段（ uninitialized data），以及堆内存段（ heap segment）。 （传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例，该进程只包含一个线程。 ）
同一进程中的多个线程可以并发执行。在多处理器环境下，多个线程可以同时并行。如果一线程因等待 I/O 操作而遭阻塞，那么其他线程依然可以继续运行。
对于某些应用而言，线程要优于进程。传统 UNIX 通过创建多个进程来实现并行任务。以网络服务器的设计为例，服务器进程（父进程）在接受客户端的连接后，会调用 fork()来创建一个单独的子进程，以处理与客户端的通信（可参考 60.3 节）。采用这种设计，服务器就能同时为多个客户端提供服务。虽然这种方法在很多情境下都屡试不爽，但对于某些应用来说也确实存在如下一些限制。
1.进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。 2.调用 fork()来创建进程的代价相对较高。即便利用 24.2.2 节所描述的写时复制（ copy-on-write）技术，仍然需要复制诸如内存页表（ page table）和文件描述符表（ file descriptor table）之类的多种进程属性，这意味着 fork()调用在时间上的开销依然不菲。 线程解决了上述两个问题。 1.线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到共享（全局或堆）变量中即可。不过，要避免出现多个线程试图同时修改同一份信息的情况，这需要使用第 30章描述的同步技术。 2.创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。（在 Linux 中，是通过系统调用 clone()来实现线程的）线程的创建之所以较快，是因为调用 fork()创建子进程时所需复制的诸多属性，在线程间本来就是共享的。特别是，既无需采用写时复制来复制内存页，也无需复制页表
除了全局内存之外，线程还共享了一干其他属性（这些属性对于进程而言是全局性的，而并非针对某个特定线程），包括以下内容。
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进程 ID（ process ID）和父进程 ID。
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进程组 ID 与会话 ID（ session ID）。
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控制终端。
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进程凭证（ process credential）（用户 ID 和组 ID ）。
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打开的文件描述符。
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由 fcntl()创建的记录锁（ record lock）。
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信号（ signal）处置。
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文件系统的相关信息：文件权限掩码（ umask）、当前工作目录和根目录。
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间隔定时器（ setitimer()）和 POSIX 定时器（ timer_create()）。
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系统 V（ system V）信号量撤销（ undo， semadj）值（ 47.8 节）。
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资源限制（ resource limit）。
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CPU 时间消耗（由 times()返回）。
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资源消耗（由 getrusage()返回）。
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nice 值（由 setpriority()和 nice()设置）。
各线程所独有的属性，如下列出了其中一部分。
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线程 ID（ thread ID， 29.5 节）。
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信号掩码（ signal mask）。
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线程特有数据（ 31.3 节）。
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备选信号栈（ sigaltstack()）。
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errno 变量。
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浮点型（ floating-point）环境（见 fenv(3)）。
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实时调度策略（ real-time scheduling policy）和优先级（ 35.2 节和 35.3 节）。
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CPU 亲和力（ affinity， Linux 所特有， 35.4 节将加以描述）。
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能力（ capability， Linux 所特有，第 39 章将加以描述）。
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栈，本地变量和函数的调用链接（ linkage）信息。
29.2 Pthreads API 的详细背景
20 世纪 80 年代末、 90 年代初，存在着数种不同的线程接口。 1995 年 POSIX.1c 对 POSIX 线程 API 进行了标准化，该标准后来为 SUSv3 所接纳。 有几个概念贯穿整个 Pthreads API，在深入探讨 API 之前，将简单予以介绍。
线程数据类型（Pthreads data type）
Pthreads API 定义了一干数据类型，表 29-1 列出了其中的一部分。后续章节会对这些数据类型中的绝大部分加以描述
SUSv3 并未规定如何实现这些数据类型，可移植的程序应将其视为“不透明”数据。亦即，程序应避免对此类数据类型变量的结构或内容产生任何依赖。尤其是，不能使用 C 语言的比较操作符（ ==）去比较这些类型的变量。
线程和 errno
在传统 UNIX API 中， errno 是一全局整型变量。然而，这无法满足多线程程序的需要。如果线程调用的函数通过全局 errno 返回错误时，会与其他发起函数调用并检查 errno 的线程混淆在一起。换言之，这将引发竞争条件（ race condition）。
因此，在多线程程序中，每个线程都有属于自己的 errno。 在 Linux 中， 线程特有 errno 的实现方式与大多数 UNIX 实现相类似： 将 errno 定义为一个宏，可展开为函数调用，该函数返回一个可修改的左值（ lvalue），且为每个线程所独有。（因为左值可以修改，多线程程序依然能以 errno=value 的方式对 errno 赋值。 ）一言以蔽之， errno 机制在保留传统 UNIX API 报错方式的同时，也适应了多线程环境
Pthreads 函数返回值
从系统调用和库函数中返回状态，传统的做法是：返回 0 表示成功，返回-1 表示失败，并设置 errno 以标识错误原因。 Pthreads API 则反其道而行之。所有 Pthreads 函数均以返回 0 表示成功，返回一正值表示失败。这一失败时的返回值，与传统 UNIX 系统调用置于 errno 中的值含义相同。 由于多线程程序对 errno 的每次引用都会带来函数调用的开销，因此，本书示例并不会直接将 Pthreads 函数的返回值赋给 errno，而是使用一个中间变量，并利用自己实现的诊断函数errExitEN()（ 3.5.2 节），如下所示
编译 Pthreads 程序
在 Linux 平台上， 在编译调用了 Pthreads API 的程序时， 需要设置 cc -pthread 的编译选项。 使用该选项的效果如下。 1.定义_REENTRANT 预处理宏。这会公开对少数可重入（ reentrant）函数的声明。 2.程序会与库 libpthread 进行链接（等价于-lpthread）。
29.3 创建线程
启动程序时，产生的进程只有单条线程，称之为初始（ initial）或主（ main）线程。本节将讨论其他线程的创建过程。
函数 pthread_create()负责创建一条新线程。 新线程通过调用带有参数 arg 的函数 start （即 start(arg)） 而开始执行。 调用 pthread_create()的线程会继续执行该调用之后的语句。（如 28.2 节所述， 这一行为与 glibc 库对系统调用 clone()的包装函数行为相同。 ）
将参数 arg 声明为 void*类型，意味着可以将指向任意对象的指针传递给 start()函数。一般情况下， arg 指向一个全局或堆变量，也可将其置为 NULL。如果需要向 start()传递多个参数，可以将 arg 指向一个结构，该结构的各个字段则对应于待传递的参数。通过审慎的类型强制转换， arg 甚至可以传递 int 类型的值。 严格说来，对于 int 与 void*之间相互强制转换的后果， C 语言标准并未加以定义。不过，大部分 C 语言编译器允许这样的操作，并且也能达成预期的目的，即 int j == (int) ((void*) j)。 start()的返回值类型为 void*，对其使用方式与参数 arg 相同。对后续 pthread_join()函数的描述中，将论及对该返回值的使用方式。 将经强制转换的整型数作为线程 start 函数的返回值时，必须小心谨慎。原因在于，取消线程（见第 32 章）时的返回值 PTHREAD_CANCELED，通常是由实现所定义的整型值，再经强制转换为 void*。
若线程某甲的 start 函数将此整型值返回给正在执行 pthread_join()操作的线程某乙，某乙会误认为某甲遭到了取消。应用如果采用了线程取消技术并选择将 start 函数的返回值强制转换为整型，那么就必须确保线程正常结束时的返回值与当前 Pthreads 实现中的PTHREAD_CANCELED 不同。如欲保证程序的可移植性，则在任何将要运行该应用的实现中，
正常退出线程的返回值应不同于相应的 PTHREAD_CANCELED 值。 参数 thread 指向 pthread_t 类型的缓冲区，在 pthread_create()返回前，会在此保存一个该线程的唯一标识。后续的 Pthreads 函数将使用该标识来引用此线程。 SUSv3 明确指出，在新线程开始执行之前，实现无需对 thread 参数所指向的缓冲区进行初始化，即新线程可能会在 pthread_create()返回给调用者之前已经开始运行。如新线程需要获取自己的线程 ID,则只能使用pthread_self()方法。
参数 attr 是指向 pthread_attr_t 对象的指针，该对象指定了新线程的各种属性。 29.8 节将述及其中的部分属性。如果将 attr 设置为 NULL，那么创建新线程时将使用各种默认属性，本书的大部分示例程序都采用这一做法。
调用 pthread_create()后，应用程序无从确定系统接着会调度哪一个线程来使用 CPU 资源。程序如隐含了对特定调度顺序的依赖，则无疑会对 24.4 节所述的竞争条件打开方便之门。如果对执行顺序确有强制要求，那么就必须采用第 30 章所描述的同步技术
29.4 终止线程
可以如下方式终止线程的运行。
1.线程 start 函数执行 return 语句并返回指定值。
2.线程调用 pthread_exit()（详见后述）。
3.调用 pthread_cancel()取消线程（在 32.1 节讨论）。
4.任意线程调用了 exit()，或者主线程执行了 return 语句（在 main()函数中），都会导致进程中的所有线程立即终止。 pthread_exit()函数将终止调用线程，且其返回值可由另一线程通过调用 pthread_join()来获取。
调用 pthread_exit()相当于在线程的 start 函数中执行 return，不同之处在于，可在线程 start函数所调用的任意函数中调用 pthread_exit() 。 参数 retval 指定了线程的返回值。 Retval 所指向的内容不应分配于线程栈中，因为线程终止后，将无法确定线程栈的内容是否有效。（例如，系统可能会立刻将该进程虚拟内存的这片区域重新分配，供一个新的线程栈使用。）出于同样的理由，也不应在线程栈中分配线程 start 函数的返回值。 如果主线程调用了 pthread_exit()，而非调用 exit()或是执行 return 语句，那么其他线程将继续运行。
29.5 线程 ID（Thread ID）
进程内部的每个线程都有一个唯一标识，称为线程 ID。线程 ID 会返回给 pthread_create()的调用者，一个线程可以通过 pthread_self()来获取自己的线程 ID。
线程 ID 在应用程序中非常有用，原因如下。 1.不同的Pthreads 函数用线程 ID 来标识要操作的目标线程。这些函数包括 pthread_join()、pthread_detach()、 pthread_cancel()和 pthread_kill()等，后续章节将会加以讨论。 2.在一些应用程序中，以特定线程的线程 ID 作为动态数据结构的标签，这颇有用处，既可用来识别某个数据结构的创建者或属主线程，又可以确定随后对该数据结构执行操作的具体线程。 函数 pthread_equal()可检查两个线程的 ID 是否相同。
例如， 为了检查调用线程的线程 ID 与保存于变量 t1 中的线程 ID 是否一致， 可以编写如下代码： 因为必须将 pthread_t 作为一种不透明的数据类型加以对待， 所以函数 pthread_equal()是必须的。 Linux 将 pthread_t 定义为无符号长整型（ unsigned long），但在其他实现中，则有可能是一个指针或结构。
SUSv3 并未要求将 pthread_t 实现为一个标量（ scalar）类型，该类型也可以是一个结构。因此，下列显示线程 ID 的代码实例并不具有可移植性（尽管该实例在包括 Linux 在内的许多实现上均可正常运行，而且有时在调试程序时还很实用）。
在 Linux 的线程实现中，线程 ID 在所有进程中都是唯一的。不过在其他实现中则未必如此， SUSv3 特别指出，应用程序若使用线程 ID 来标识其他进程的线程，其可移植性将无法得到保证。此外，在对已终止线程施以pthread_join()，或者在已分离（ detached）线程退出后，实现可以复用该线程的线程 ID。 （下一节和 29.7 节将分别解释 pthread_join()和线程的分离。 ）
29.6 连接（joining）已终止的线程
函数 pthread_join()等待由 thread 标识的线程终止。 （如果线程已经终止， pthread_join()会立即返回）。这种操作被称为连接(joining)
若 retval 为一非空指针，将会保存线程终止时返回值的拷贝，该返回值亦即线程调用return 或 pthred_exit()时所指定的值。 如向 pthread_join()传入一个之前已然连接过的线程 ID，将会导致无法预知的行为。例如，相同的线程 ID 在参与一次连接后恰好为另一新建线程所重用，再度连接的可能就是这个新线程。 若线程并未分离（detached，见 29.7 节），则必须使用 ptherad_join()来进行连接。如果未能连接，那么线程终止时将产生僵尸线程，与僵尸进程（zombie process）的概念相类似（参考 26.2节）。
除了浪费系统资源以外，僵尸线程若累积过多，应用将再也无法创建新的线程。 pthread_join()执行的功能类似于针对进程的 waitpid()调用，不过二者之间存在一些显著差别。 1.线程之间的关系是对等的（ peers）。进程中的任意线程均可以调用 pthread_join()与该进程的任何其他线程连接起来。 例如， 如果线程 A 创建线程 B， 线程 B 再创建线程 C，那么线程 A 可以连接线程 C， 线程 C 也可以连接线程 A。 这与进程间的层次关系不同，父进程如果使用 fork()创建了子进程，那么它也是唯一能够对子进程调用 wait()的进程。调用 pthread_create()创建的新线程与发起调用的线程之间，就没有这样的关系。 2.无法“连接任意线程”（对于进程，则可以通过调用 waitpid(-1, &status, options)做到这一点），也不能以非阻塞（ nonblocking）方式进行连接（类似于设置 WHOHANG 标志的 waitpid()）。使用条件（ condition）变量可以实现类似的功能， 30.2.4 节会给出示例。
29.7 线程的分离
默认情况下，线程是可连接的(joinable)，也就是说，当线程退出时，其他线程可以通过调用 pthread_join()获取其返回状态。有时，程序员并不关心线程的返回状态，只是希望系统在线程终止时能够自动清理并移除之。在这种情况下，可以调用 pthread_detach()并向 thread 参数传入指定线程的标识符，将该线程标记为处于分离状态。
如下例所示，使用 pthread_detach()，线程可以自行分离：
pthread_detach(pthread_self())
一旦线程处于分离状态，就不能再使用 pthread_join()来获取其状态，也无法使其重返“可连接”状态。 其他线程调用了 exit()，或是主线程执行 return 语句时，即便遭到分离的线程也还是会受到影响。此时，不管线程处于可连接状态还是已分离状态，进程的所有线程会立即终止。
换言之， pthread_detach()只是控制线程终止之后所发生的事情，而非何时或如何终止线程。
29.8 线程属性
前面已然提及 pthread_create()中类型为 pthread_attr_t 的 attr 参数， 可利用其在创建线程时指定新线程的属性。本书无意深入这些属性的细节，也不会将操作 pthread_attr_t 对象的各种 Pthreads 函数原型一一列出， 只会点出如下之类的一些属性：
线程栈的位置和大小、
线程调度策略和优先级
以及线程是否处于可连接或分离状态。 作为线程属性的使用示例，程序清单 29-2 中的代码创建了一个新线程，该线程刚一创建即遭分离（而非之后再调用 pthread_detach()）。这段代码首先以缺省值对线程属性结构进行初始化，接着为创建分离线程而设置属性，最后再以此线程属性结构来创建新线程。线程一旦创建，就无需再保留该属性对象，故而程序将其销毁
29.9 线程 VS 进程
将应用程序实现为一组线程还是进程？本节将简单考虑一下可能影响这一决定的部分因素。先从多线程方法的优点开始。 1.线程间的数据共享很简单。相形之下，进程间的数据共享需要更多的投入。 （例如，创建共享内存段或者使用管道 pipe）。 2.创建线程要快于创建进程。线程间的上下文切换（ context-switch），其消耗时间一般也比进程要短。
线程相对于进程的一些缺点如下所示。
1.多线程编程时，需要确保调用线程安全（ thread-safe）的函数，或者以线程安全的方式来调用函数。 多进程应用则无需关注这些。
2.某个线程中的 bug（例如，通过一个错误的指针来修改内存）可能会危及该进程的所有线程， 因为它们共享着相同的地址空间和其他属性。 相比之下， 进程间的隔离更彻底。
3.每个线程都在争用宿主进程（ host process）中有限的虚拟地址空间。特别是，一旦每个线程栈以及线程特有数据（或线程本地存储）消耗掉进程虚拟地址空间的一部分，则后续线程将无缘使用这些区域。虽然有效地址空间很大，但当进程分配大量线程，亦或线程使用大量内存时，这一因素的限制作用也就突显出来。与之相反，每个进程都可以使用全部的有效虚拟内存，仅受制于实际内存和交换（ swap）空间。
影响选择的还有如下几点。 1.在多线程应用中处理信号，需要小心设计。 （作为通则，一般建议在多线程程序中避免使用信号。 ）关于线程与信号， 33.2 节会做深入讨论。 2.在多线程应用中，所有线程必须运行同一个程序（尽管可能是位于不同函数中）。对于多进程应用，不同的进程可以运行不同的程序。 3.除了数据，线程还可以共享某些其他信息（例如，文件描述符、信号处置、当前工作目录，以及用户 ID 和组 ID）。优劣之判，视应用而定。