【Linux】线程总结：初识、创建、等待、终止、分离

学习环境 ：　 Centos6.5 Linux 内核 2.6

Linux线程部分总结分为两部分：（1）线程的使用 ，（2）线程的同步与互斥。

第一部分线程的使用主要介绍，线程的概念，创建线程，线程退出，以及线程的终止与分离。

第二部分主要介绍在多线程环境下，使用同步与互斥保护共享资源，有互斥锁，条件变量，信号量，以及读写锁。

第一部分开始

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初识线程

线程：也称轻量级进程（Lightweight Process ， LWP），是程序执行流的最小单元。而多线程就是指，在一个进程中有多个执行流，在同时执行。

为什么需要多线程呢？

在客户端，我们需要界面和用户交互动作，此时就可以在后台线程去处理交互逻辑。比如下载一个文件利用一个线程，而同时还可以用一个线程响应用户的其他操作。

在服务端，如http服务器，会同时有多个请求需要处理，此时利用多线程可以大大提高请求的处理效率。

线程与进程的区别：

进程是资源分配的基本单位，而线程是调度的基本单元。操作系统中每一个执行的进程，都有它自己的地址空间，而同一进程中可以有多个线程，也就是多个执行流在同时执行。这里的同时，如果是单核处理器，则此时并不是真正意义上的同时，由于处理器运行速度很快，给每个执行流分配了时间片，在单核处理器中微观上还是顺序执行，而在多核处理器中，就是真正意义上的并行。由于同一进程的多个线程共享同一地址空间，因此线程之间有互相共享的资源，也有彼此独占的资源。

线程之间共享的资源主要有：

• 地址空间
• 数据段和代码段
• 全局变量
• 文件描述符表
• 信号处理方式（忽略或者有自定义动作）
• 用户ID和组ID
• 当前工作目录

每个线程各有一份的资源主要有：

• 线程ID
• 上下文（寄存器，程序计数器，栈指针）
• 栈空间
• 状态字
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

进程与线程的区别归纳如下几点：

1. 地址空间：进程间相互独立，每个进程都有自己独立的地址空间，同一进程的各线程间共享地址空间。某个进程内的线程在其他进程内不可见。
2. 通信关系：进程间通信有管道，消息队列，共享内存，信号量。线程间通信可以直接读写全局变量来进行通信。不管是进程还是线程，通信时可能出现数据不一致的情况，需要用同步互斥机制来保证数据的一致性。
3. 切换和调度：由于进程间独占数据段代码段等信息，所以切换进程的时候，需要把进程间独占的资源切换去，把要执行的进程资源换进来，而线程是进程的子集，共享大部分资源，切换时只需要保存上下文相关信息就好，所以线程切换的开销比进程切换的开销小。

线程的三种状态

线程主要有三种状态分别是就绪、阻塞、运行。

就绪：线程具备运行的所有条件，逻辑上已可以运行，在等待处理机。

阻塞：指线程在等待某一时间的发生，如I/O操作。

运行：占有处理器正在运行。

注：关于进程与线程之间阻塞状态的关系，在文末做了个实验。

线程的控制

主要学习如何创建一个线程，线程有哪些终止方式，以及怎么获取一个线程的运行结果，判断线程是否异常退出，线程生命结束时有没有”遗言“。

这里学习的线程库函数由POSIX标准定义的，称为POSIX thread 或者 pthread。在Linux中函数位于libpthread共享库中，在gcc编译或者Makefile中记得要加上 -lpthread选项，用来指定要链接的库。函数在执行错误时的错误信息将作为返回值返回，并不修改全局变量errno，也就无法通过 perror() 打印错误信息。

创建线程

#include 

int pthread_create(pthread_t *thread, 
                   const pthread_attr_t *attr, 
                   void *(*start_routine)(void *), 
                   void *arg);

描述：创建一个线程，用第一个参数线程标识符，第二个参数设置线程属性，第三个参数指定线程函数运行的起始地址（函数指针），第四个参数是运行函数的参数。

实例：下面的代码创建了两个线程，并分别在线程中调用pthread_self()打印各自的线程ID，以及调用 getpid() 打印进程ID，为了对比也在创建线程的Main执行流中打印线程ID，和进程ID。

#include 
#include     // pthread_create()
#include      // sleep()
#include   // getpid()

// 打印每个线程的ID， 和进行ID

void * run_1(void *arg)  // 线程1 执行代码
{
    sleep(1);
    printf(" thread 1 tid is  %u,  pid is %u \n", pthread_self(), getpid()); 
}

void * run_2(void *arg)  // 线程2 执行代码
{

    sleep(1);
    printf(" thread 2 tid is  %u,  pid is %u \n", pthread_self(), getpid());
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;

    pthread_create(&tid1, NULL, run_1, NULL ); // 创建线程1
    pthread_create(&tid2, NULL, run_2, NULL ); // 创建线程2

    sleep(2);
    printf("I am main tid is  %u,  pid is %u \n", pthread_self(), getpid());
    return 0;
}

从上图执行结果以及对代码的分析可以得出：

1）.线程1 和线程2 的进程ID一样，可以说明同一个进程可以拥有多个线程，即多个执行流。

2 ) .我们发现在main 执行流中打印线程ID ，与创建的线程差异并不大，也就是说main 执行流也是一个线程。也可以这样理解：在Linux中，一个进程默认有一个线程。单线程也就是单进程。

3 ).在代码中之所以要在main 的执行流中sleep(2)，是因为线程执行顺序与操作系统的调度算法有关系，为了保证创建的线程1 和线程2 先执行，故在 main的打印之前加上sleep(2)。

4 ).在线程1 和线程2 的执行代码中都是一开始就sleep(1)，而我们在main中创建线程的时候却是先创建的线程1，但是打印结果却是，线程2 先打印，这进一步证实了 3) 中所说，同一个进程中哪一个线程先执行与操作系统调度有关。

5 ). 有一点需要强调，当main 结束的时候，运行到return，或者调用exit(），所有线程也会随之结束，下面的小程序证明这点。

#include 
#include  // sleep()
#include 
#include  // exit()

void *run( void * arg)
{
    while(1)
    {
        printf("I am still alive ... \n");
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);

    sleep(2);
    printf(" The main thread ends and all threads end.\n");
    exit(0); // main thread quit

    return 0;
}

执行结果：新线程每隔1秒打印一次，主线程在2秒后exit，新线程也随之结束。

终止线程

如果需要只终止某个线程而不是整个进程都终止，有三种方法。

1）. 从线程函数return，对主线程不使用，在main函数中return 相当于exit。

#include 
#include 
#include 


// 终止线程 方法1

void * run(void * arg)
{
    printf("I am still alive, after a second I will quit.\n");
    sleep(1);

    return NULL;

    printf("Never output.\n");
}

int main()
{
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);

    sleep(2); // 确保主线程最后退出 
    printf("The thread quit, I should quit.\n");
    return 0;
}

2 ). 一个线程可以调用pthread_cancel() 终止同一进程中的另一个线程。比较复杂，暂不分析。

3 ).线程可以调用 pthread_exit() 终止自己。

#include 
#include 
#include 

void * run(void *arg)
{
    printf("1 .. \n");
    printf("2 .. \n");
    sleep(1);
    printf("3 .. \n");
    printf("4 .. \n");
    pthread_exit(NULL);
    printf("never output .\n");
}

int main()
{
    pthread_t tid1; 
    pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);

    sleep(3);
    printf("thread quit, I should quit.\n");
    return 0;
}

等待线程

说说我理解的为什么需要线程等待，有时候需要让一个线程去执行一段代码，我们需要知道它是否帮我们完成了指定的要求，或者异常终止，这时候我们就需要获取线程运行结果，线程退出可以通过返回值带出或者通过pthread_exit()参数带出，拿到它的“遗言”。线程等待也有回收资源的用处，如果一个线程结束运行但没有被等待，那么它类似于僵尸进程，占用的资源在进程结束前都不会被回收，所以当一个线程运行完成后，我们应该等待回收资源。

我们可以注意到在上面的例子中，线程退出返回值和pthread_exit()的参数都是NULL，说明我们根本不关心线程的”死活“。

还有一个用处，在上面的例子中，我们都是在主线程中sleep()函数来防止新创建的线程还未结束，整个进程就结束，而现在我们可以用线程等待函数来达到这个目的。

#include 

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

描述：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，主要有如下几种：

• 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。

• thread线程是被的线程调用pthread_cancel() 异常终止掉，retval 所指向的单元存放的是常数PTHREAD_CANCELED.

• 如果thread线程调用pthread_exit() 终止的，retval 所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。

下面来举个栗子，拿到线程的”遗言“：

#include 
#include 
#include 

void* run_1(void *arg)
{
    printf(" I am thread 1 \n");
    return (void*)1; 
}

void* run_2(void *arg)
{
    printf(" I am thread 2 \n");

    pthread_exit((void*)2);
}


int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, run_1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, run_2, NULL);

    void* retval_1;
    void* retval_2;
    pthread_join(tid1, &retval_1);
    pthread_join(tid2, &retval_2);

    printf(" thread 1 retval is  %u \n", (int*)retval_1);
    printf(" thread 2 retval is  %u \n", (int*)retval_2);

    return 0;
}

执行结果，成功得到线程的”遗言“：

注意：在上面的例子中，我们带出的是整型值，如果需要带出别的数据类型，则需要使用全局变量或者malloc动态分配的空间，不能带出线程执行函数内的变量，因为执行结束后，栈里的数据变成垃圾数据。

线程分离

无论何时，一个线程是可结合(joinable )的或者是分离(detached)的。

当线程属于可结合时，它能够被其他线程join或者cancel回收资源。相反一个已经处于分离的线程是不能被join或cancel，资源会在终止时自动释放。

创建一个线程，默认是可结合的，为了防止资源的泄露，我们可以显示的调用pthread_join() 回收资源。对一个处于可结合的线程调用pthread_join()后，可以将线程置于分离状态。不能对同一个线程调用两个join，对一个已经分离的线程调用join会返回错误号。

其实在上面的例子中，已经有过通过join将一个线程分离，但是当在一个线程中通过调用pthread_join()来回收资源时，调用者就会被阻塞，如果需要回收的线程数目过多时，效率就大大下降。比如在一个Web 服务器中， 主线程为每一个请求创建一个线程去响应动作，我们并不希望主线程也为了回收资源而被阻塞，因为可能在阻塞的同时有新的请求，我们可以再使用下面的方法，让线程办完事情后自动回收资源。

1 ). 在子线程中调用pthread_detach( pthread_self() )。
2 ).在主线程中调用pthread_detach( tid )。

可以将线程状态设为分离。运行结束后会自动释放所有资源。

#include 
#include 


void* run(void * arg)
{
    pthread_detach( pthread_self());
    printf("I will detach .. \n");
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);

    sleep(1); // 因为主线程不会挂起等待，为了保证子线程先执行完分离，让主线程先等待1s
    int ret = 0;
    ret =  pthread_join(tid1, NULL);
    if( ret == 0)
    {
        printf(" join sucess. \n");
    }
    else
    {
        printf(" join failed. \n");
    }
    return 0;
}

执行结果：

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补文中提到的实验：

说明：之所有会有这个实验，是因为之前一直对进程阻塞时，线程是什么状态不是很清楚，以及线程阻塞会对进程和别的线程有什么影响。因此本次基于Linux中的轻量级线程做出实验，实验结果不一定对所有平台都有效。

实验环境：centos 6.5 Linux 2.6

实验内容：

1）. 阻塞一个线程，看其他线程是否也会阻塞，如果其他线程也阻塞，说明线程阻塞会导致整个进程阻塞。若其他线程未阻塞，则说明线程间状态独立。

#include 
#include 

void *run_1(void *arg)  // 线程1 每隔1s 打印一条
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf(" I am thread 1, tid is %u , runing ...\n", pthread_self());
    }
}

void *run_2(void *arg)  // 线程2 每隔1s 打印一条
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf(" I am thread 2, tid is %u , runing ... \n", pthread_self());
    }
}

void *run_3(void *arg)  // 线程3  等待输入 ，输入完毕后打印
{
    int input = 0;
    scanf("%d", &input);
    printf("iuput data id %d \n", input);
}

int main()   
{
    pthread_t tid1, tid2, tid3;

    pthread_create(&tid1, NULL, run_1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, run_2, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, run_3, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);    // 主线程 等待其余3个线程
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    return 0;
}

实验结果：

结果分析：

通过实验结果可以看到，在线程3阻塞前后，线程1 和 2 的运行状态没有任何变化。可以说明 一个线程的阻塞并不会导致所有线程都阻塞。

2）.不阻塞线程，阻塞进程，看其他线程是否阻塞，若其他线程也阻塞，则说明进程阻塞会导致所有线程阻塞。反之则反。

#include 
#include 


void* run()
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf("thread running ..\n");
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);

    int input;
    scanf("%d", &input);
    printf("input is %d \n", input);


    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf("main thread running.. \n");
    }
    return 0;
}

实验结果：

结果分析：

第二个实验就有点尴尬，因为严格意义上来说在现在的实验环境中让进程阻塞，也只能让主线程阻塞，而主线程除了结束的时候会导致整个进程都结束，和别的线程没有什么大的区别。因此实验结果和实验1区别并不大。

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第一部分到此结束。