线程概念

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）。
• 进程与线程的区别：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，可看成是一个线程的进程。

• 安装man文档 sudo apt-get install glibc-doc sudo apt-get install manpages-posix-dev

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，线程是最小的执行单位；进程是最小的分配资源单位。
• 察看LWP号：ps -Lf pid，查看指定线程的LWP号。

• 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
  • 参考《Linux内核源代码情景分析》 -- 毛德操

• 对于进程来说，相同的地址（同一个虚拟址）在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。
• 但线程不同！两个线程具有各自独立的PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个PCB共享一个地址空间。
• 实际上，无论是创建的fork，还是创建线程的pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数clone。
• 如果复制对方的地址空间，那么就产生一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。
• 因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只有用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数pthread_*是库函数，而非系统调用。

线程共享资源

• 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）

线程非共享资源

• 1、线程ID。
• 2、处理器现场和栈指针。
• 3、独立的栈空间（用户空间栈）。
• 4、errno变量.
• 5、信号屏蔽字。
• 6、调度优先级。

线程优点、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。

线程控制原语

pthread_self函数

• 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）。
• 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。

pthread_create函数

• 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。
• 在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行的代码由我们传给pthread_create的函数指针start_routine决定。start_routine函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine返回时，这个线程就退出了，其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。
• pthread_create成功返回后，新创建的线程ID被填写到thread参数指向的内存单元。我们知道进程ID的类型是pid_t，每个进程的ID在整个系统中是唯一的，调用getpid(2)可以获得当前进程ID，是一个正整数值。线程ID的类型是thread_t，它只是当前进程中保证是唯一的，不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，这可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self(3)可以获得当前线程的ID。
• attr参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考APUE。
• 【练习】：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库-lpthread
  • 由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都会终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的方法。
• 示例 #include #include #include #include #include void *thread_func(void *arg) { printf("In thread: thread id = %lu, pid = %u ", pthread_self(), getpid()); return NULL; } int main() { pthread_t tid; int ret; printf("In main1: thread id = %lu, pid = %u ", pthread_self(), getpid()); ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_create error:%s ", strerror(ret)); exit(1); } sleep(1); printf("In main2: thread id = %lu, pid = %u ", pthread_self(), getpid()); return 0; }
• 【练习】：循环创建多个线程，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）
• 拓展思考：将pthread_create函数参数4修改为(void *)&i，将线程主函数内改为i = *((int *)arg)是否可以？不可以。
• 示例 #include #include #include #include #include void *thread_func(void *arg) { int i = (int)arg; sleep(i); printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u ", i+1, pthread_self(), getpid()); return NULL; } int main() { pthread_t tid; int ret, i; for (i = 0; i<5; i++){ ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i); if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_create error:%s ", strerror(ret)); exit(1); } } sleep(i); return 0; }
• 线程与共享
  • 线程间共享全局变量
  • 【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mmap。
  • 【练习】：设计程序，验证线程之间共享全局数据。 #include #include #include #include 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; }

pthread_exit函数

• 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。
• 思考：使用exit将指定线程退出，可以吗？
• 结论：线程中，禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出。
• 在不添加sleep控制输出顺序的情况下，pthread_create在循环中，几乎瞬间创建5个线程，但只有第1个线程有机会输出（或者第2个也有，也可能没有，取决于内核调度），如果第3个线程执行了exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。
• 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。
• 【练习】：编写多线程程序，总结exit、return、pthread_exit各自退出效果。
  • return：返回到调用者那里去。
  • pthread_exit：将调用该函数的线程退出。
  • exit：将进程退出。
• 示例 #include #include #include #include #include void *thread_func(void *arg) { int i = (int)arg; printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u ", i+1, pthread_self(), getpid()); return NULL; } int main() { pthread_t tid; int ret, i; for (i = 0; i<5; i++){ ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i); if(ret != 0){ fprintf(stderr, "pthread_create error:%s ", strerror(ret)); exit(1); } } pthread_exit(NULL); }

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。
• 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 **
• 【练习】：参数retval非空用法。 #include #include #include #include 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); printf("a = %d, b = %d ", retval->a, retval->b); free(retval); return 0; }
• 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、如果不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_CALCELED。
  • 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。
• 【练习】：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。 #include #include #include #include int var = 100; void * tfn(void * arg) { int i; i = (int)arg; sleep(i); if(i == 1){ var = 333; printf("var = %d ", var); return 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; int *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); sleep(i); return 0; }

pthread_detach函数

• 实现线程分隔
• int pthread_detach(pthread_t thread);，成功：0；失败：错误号。
• 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，一点残留资源存于系统中，导致内核认为该进程仍存在。
• 也可以使用pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离。
• 【练习】：使用pthread_detach函数实现线程分离。
• 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。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错误。也就是说，如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。 #include #include #include #include #include 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 0 //通过线程属性来设置游离态 pthread_attr_t attr; pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL); #else pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL); //让线程分离-----自动退出，无系统残留资源 pthread_detach(tid); #endif while(1){ err = pthread_join(tid, &tret); printf("------------err = %d ", err); if(err != 0) fprintf(stderr, "thread_join error : %s ", strerror(err)); else fprintf(stderr, "thread exit code %d ", (int)tret); } }

pthread_cancel函数

• 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create、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pthread_testcancel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。可以头文件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。
• 【练习】：终止线程的三种方法。注意“取消点”的概念。 #include #include #include #include void *tfn1(void *arg) { printf("thread 1 returning "); return (void *)111; } void *tfn2(void *arg) {