【Linux应用编程】POSIX线程基本操作

1 什么是POSIX线程

  可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface of UNIX），简称POSIX，POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准，由电气和电子工程师协会 （ Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称IEEE）定义在各种UNIX操作系统上运行软件使用的一系列API标准的总称。随着操作系统的发展，POSIX标准已经成为信息界一个标准化规范，以提高不同操作系统的兼容性和应用程序的可移植性。不仅仅是适用于UNIX，主流操作系统Linux、Windows、Mac OS已加入POSIX支持，甚至国产实时系统（RTOS）RT-Thread都支持POSIX规范标准。

  POSIX线程（POSIX threads），简称Pthreads，是POSIX标准中对线程定义的一部分标准规范。Pthreads定义了创建和操作线程的一整套API（包括类型、函数、常量），在编写程序时，只要遵循Pthreads规范，那么这段程序就是可以在任何支持Pthreads的操作系统上运行，实现优良的跨平台特性。

  总的来说，POSIX就是一个标准化规范接口，更详细的POSIX介绍，可以参考文章末尾官方文档。

2 POSIX线程优缺点

2.1 进程与线程

  进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是任务调度和执行的基本单位。不同进程拥有独立的代码空间和内存资源，同一进程下的线程是共享当前进程的所有系统资源。进程和线程存在关联，但又有一定的区别，归纳起来有几个本质的不同点。

• 进程拥有自己独立的资源空间，线程是“轻量进程”，共享进程的空间（内存、堆栈、文件描述符）
• 进程是线程的“容器”，每个进程至少存在一个线程
• 进程的创建、调度和销毁过程的资源开销要比线程大
• 进程的直接访问对象是操作系统，线程的直接访问对象是进程

2.2 为什么要使用线程

  从进程与线程的特性差异对比，线程最大的优势是资源开销比进程要小。线程相比进程，还存在几个优点。

• 与fork相比， 创建线程无需申请文件描述符、系统资源等，效率高
• 线程共享进程的资源空间，避免进程复杂IPC机制
• 线程间的上下文切换要比进程间的上下文切换快得多

注：
线程也存在不足，由于线程是共享进程资源空间，如果一个线程因为异常崩溃导致共享资源（如内存空间）异常，其他线程很可能也会崩溃。进程拥有独立资源空间，以及操作系统的保护机制，一个进程崩溃不会影响其他进程。

2.3 Pthreads优势

  Pthreads规范化标准接口，提高应用程序在不同操作系统执行时的兼容性和可移植性，具备优良的跨平台特性。对于程序员来说，可以释放大量的重复编码工作量，提高编码效率。，

2.3 Pthreads不足

  Pthreads是优秀的，在通用操作系统上使用，几乎找不到缺点。但是在资源紧张的嵌入式设备上使用时，由于增加代码空间和内存空间的占用，需要增加硬件资源（RAM和ROM），成本上升。如在RT-Thread上支持Pthreads需要占用更多的资源空间，相应的需要更多资源的RAM和ROM支持。

3 POSIX线程常用API

  Pthreads定义了一套 基于C 语言的类型、函数和常量，API接口声明位于 pthread.h 头文件中，Pthreads所有 API 以 “pthread_”为 前缀，命名根据具体功能翻译，比较直观通俗，可读性优良。Pthreads API主要包括线程管理和一系列线程间通信（同步）机制。

• 线程管理（Thread management）

  提供了线程创建（creating）、分离（detaching）、调度（joining）以及线程属性操作的一系列函数。

• 线程间通信（同步）机制

  提供了通信机制的创建、销毁、访问及它们属性操作的一系列函数。

【1】互斥锁（Mutex）

【2】读写锁（read/write lock）

【4】自旋锁（spin lock）

【5】屏障（barrier）

【6】条件变量（Condition variable）

注：
信号量（semaphore）和消息队列（Message queue）不属于Pthreads标准的范畴内，但属于POSIX的标准。因此，API命名风格上也有差异，信号量API以“sem_”为前缀，消息队列以“mq_”为前缀。

  本文主要描述线程管理相关的基本操作，函数命名以 “pthread_”为前缀。

函数组	前缀	例子
线程属性	pthread_attr_	pthread_attr_t
线程操作	pthread_	pthread_create

  大部分 Pthreads 的函数执行成功后返回 0 值，失败则返回一个包含在 errno.h 头文件中的错误代码。

3.1 线程创建

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

• 功能，创建一个线程
• thread，线程描述符（ID）
• attr，线程属性，如果传入 NULL，则使用默认的线程属性
• start_routine，线程任务入口函数
• arg，线程私有参数
• 返回，成功返回0

3.2 线程脱离

int pthread_detach (pthread_t thread);

• 功能，使调用线程与当前进程脱离，脱离状态（detached）的线程，退出时会自动释放资源
• thread，线程描述符
• 返回，成功返回0

注：

一旦线程属性的分离状态设置为 detached，该线程不能被pthread_join函数等待或者重新被设置为joinable状态。

3.3 等待线程结束

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

• 功能，（主线程）等待线程结束（阻塞），并回收线程资源，类似进程的 wait() 函数。如果线程已经结束，函数会立即返回。
• value_ptr，户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值地址
• 返回，成功返回0

pthread_join与pthread_detach的区别

  两者功能类似，都是在线程结束后用来回收线程占用的资源。

  一个线程默认属性是可结合状态（joinable）， 如果一个线程结束运行但主线程没有等待其结束，则它的状态会变成类似于进程中的僵尸进程状态（Zombie Process），部分资源没有被回收（如退出状态码），所以创建线程者（主线程）应该调用pthread_join来等待线程结束，获得线程的退出代码，回收资源（类似进程的wait、waitpid）。

  pthread_join是阻塞函数，直至线程结束，但一些场景下，主线程不能或者不希望被阻塞，此时可以在主线程或者子线程调用pthread_detach函数，使子线程成为脱离状态（detached），这样该线程结束后会自动释放所有资源，而且pthread_detach函数是非阻塞函数，主线程也不会被阻塞。

注：
调用pthread_detach使线程脱离后，再调用pthread_join，会调用失败，立即返回。

3.4 线程退出

void pthread_exit(void *value_ptr);

• 功能，使线程退出调度
• value_ptr，户定义的指针，用来存储线程退出状态的返回值地址
• 返回，无

  线程的最外层函数的结束可以不用调用pthread_exit函数来退出线程，因为线程return时，线程会自动退出调度状态，系统会回收线程资源。一般情况下，我们在线程内部，在满足特定条件时，需要退出线程，才调用pthread_exit使线程终止并退出。

注：
如果多个线程共享一段资源，一个线程退出后，并不会释放共享资源，直至所有线程退出调度，系统才会回收共享资源。

3.5 线程号获取

  我知道，在使用pthread_create函数创建线程时，第一个参数保存的就是返回线程ID，为什么Pthreads还需要提供一个获取线程号的函数呢？那是因为，pthread_create创建线程返回的线程号，前提是主线程必须先执行，否则返回的是一个未知值。因此，线程内获取线程号应该使用pthread_self函数。

pthread_t pthread_self(void);

• 功能，获取线程自身的序号（在线程内调用）
• 参数，无
• 返回，线程号

例子：线程中将自己分离

pthread_detach(pthread_self());

3.6 线程号比较

  在POSIX线程中，线程号（ID）的类型用 pthread_t 描述，在不同的系统下， pthread_t 的类型可能不同，比如在Ubuntn中是 unsigned long 类型，在solaris系统中则是 unsigned int 类型，而在FreeBSD中是 pthread_t。因此，判断线程号是否相等，不能直接使用 “==” 判断，应该使用Pthreads线程比较函数 pthread_equal检查。

int pthread_equal(pthread_t t0, pthread_t t1);

• 功能，比较两个线程号是否相等
• t0，线程号1
• t1，线程号2
• 返回，线程号相等返回1，否则返回0

3.7 线程例子

#include 
#include 
#include 
#include "pthread.h" 

void *thread_entry(void *data)  
{
	uint32_t count = 0;
	
	printf("thread0 startup\r\n");
	for(;;)
    {
		printf("thread[%lu], run time[%u]\r\n", pthread_self(), count);
		if (count >= 5)
		{
			pthread_exit(NULL);
		}
		count++;
		sleep(1);
    }
	printf("thread0 exit\r\n");
}
 
int main(int argc, char **argv)  
{
	pthread_t thread0; 
    void *retval; 
	
    pthread_create(&thread0, NULL, thread_entry, 0);
    pthread_join(thread0, &retval);
    
	return 0;
 }

运行结果：

acuity@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/pthreads/pthread$ ./app 
thread0 startup
thread[139872526268160], run time[0]
thread[139872526268160], run time[1]
thread[139872526268160], run time[2]
thread[139872526268160], run time[3]
thread[139872526268160], run time[4]
thread[139872526268160], run time[5]
thread0 exit

注：
编译Pthreads相关应用程序时，需加上Pthreads链接库（“-lpthread”），如编译“app.c”源码。
gcc app.c -o app -lpthread

4 参考文章

【1】POSIX官方文档

【2】POSIX标准介绍