unix系统编程day06--Linux线程讲解

线程概念

什么是线程

• LWP：light weight process轻量级进程，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）
• 区别：在于是否共享地址空间。 独居（进程）；合租（线程）
• Linux下：线程：最小执行单位，进程最小分配资源单位，可看成只有一个线程的进程

Linux内核线程实现原理

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

1. 轻量级进程（LWP），也有PCB，创建线程和进程的底层函数一样，都是clone函数
2. 从内核看进程和线程都是一样的，都有不同的PCB，但是PCB中的三级页表是相同的。
3. 进程可以蜕变成线程
4. 线程可以看作寄存器和栈的集合
5. 在linux下，线程是最小的执行单元，进程是最小的资源分配单元
   查看LWP号：ps -Lf pid用来查看指定进程的LWP号

线程号和线程ID的区别：线程号是cpu分配时间轮片的依据，线程ID是进程区分线程的依据

补充：MMU的工作过程，首先从PCB的三级页表指针找到页目录，然后通过页目录找到页表，通过页表找到物理单元。

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（.data/.bss/.text/headp/共享库）【除掉栈区】

线程非共享资源

1. 线程ID
2. 处理器现场（寄存器）和栈区（内核栈）
3. 独立的栈空间（用户栈）
4. errno变量
5. 信号屏蔽字
6. 调度优先级

线程优缺点

优点：提高程序的并发性、开销小（相对进程）、共享数据方便
缺点：库函数不稳定、编写调试难不能用GDB、对信号支持不好

线程控制原语

pthread_self函数

• 介绍：获取线程ID（不是LWP号），对应进程中的getpid()；
• 函数原型：pthread_t pthread_self(void)
• 返回值：返回对应的线程ID

pthread_create函数

• 介绍：创建一个新线程，对应进程的fork函数
• 函数原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg
• 返回值：成功返回0，失败返回错误号
• 错误号处理：使用char * strerror(int errnum)来获取错误信息并输出

代码演示：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void * t_fun(void * arg) {
    printf("In t_fun thread id = %lu, pid = %lu\n", (unsigned long)pthread_self(), (unsigned long)getpid());
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t tid;
    printf("In t_fun thread id = %lu, pid = %lu\n", (unsigned long)pthread_self(), (unsigned long)getpid());
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, t_fun, NULL);
    if(ret != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_create failed: %s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }
    sleep(1); 
    printf("In t_fun thread id = %lu, pid = %lu\n", (unsigned long)pthread_self(), (unsigned long)getpid());
    
    return 0;
}

循环创建子线程代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void * t_fun(void * arg) {
    long long int i = (long long int )arg;
    sleep(i);
    printf("%lldth thread id = %lu, pid = %lu\n", i, (unsigned long)pthread_self(), (unsigned long)getpid());
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t tid;
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        int ret = pthread_create(&tid, NULL, t_fun, (void *)i);
        if(ret != 0) {
            fprintf(stderr, "pthread_create failed: %s\n", strerror(ret));
            exit(1);
        }
    }
    sleep(5); 
    
    return 0;
}

线程与共享

线程之间共享全局变量：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int var = 100;

int main(void) {
    pthread_t tid;
    printf("The first var = %d\n", var);
    auto f = [](void *arg) mutable -> void* {var = 200; return NULL;};
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, f, NULL);
    if(ret != 0) {
        fprintf(stderr, "create failed: %s", strerror(ret));
        exit(1);
    }
    sleep(1);
    printf("after the var = %d\n", var);
    return 0;
}

pthread_exit函数

• 函数原型：void pthread_exit(void *value_ptr);
• 作用：退出当前线程
• 注意：在线程中，exit、return、pthread_exit拥有完全不同的含义，其中return是使函数返回到调用函数的地方，exit为结束整个进程，pthread_exit是结束当前线程，所以在多线程编程中推荐使用pthread_exit函数

pthread_join函数

阻塞线程退出，获取线程退出状态，对应进程的wait函数

• 函数原型：int pthread_join(pthread_t thread， void ** value_ptr);
• 作用：回收线程，并把线程的返回值出存在value_ptr中
• 返回值：成功返回0，失败返回错误代码

代码演示：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using std::shared_ptr;
using std::make_shared;

struct exit_t {
    exit_t(char _c, int _val, char *_str) : c(_c), val(_val) {
        strcpy(str, _str);
    };
    char c;
    int val;
    char str[200];
};

void *t_fun(void *arg) {
   exit_t * exit_val = (exit_t *) arg; 
   exit_val->c = 'z';
   exit_val->val = 200;
   strcpy(exit_val->str, "zhang");
   pthread_exit((void *)exit_val);
}

int main(void) {
    //exit_t *exit_val = (exit_t*)malloc(sizeof(exit_t));
    shared_ptr<exit_t> exit_val = make_shared<exit_t>(exit_t('f', 1000, "hahaha"));
    pthread_t tid = 0;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, t_fun, (void *)&exit_val);
    if(ret != 0) {
        printf("create error: %s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }
    sleep(1);
    pthread_join(tid, (void **) & exit_val);
    printf("exit->c=%c, exit->val=%d, exit->str=%s\n", exit_val->c, exit_val->val, exit_val->str);
    return 0;
}

pthread_detach函数

将线程在状态层面上与主线程分离，常用于服务器编程和网络编程。

• 函数原型：int pthread_detach(pthread_t tid);
• 作用：将子线程与主线程分离（状态上，并没有新的内存地址空间）
• 返回值：成功返回0，失败返回错误编号

代码演示

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    auto f = [](void *arg) mutable -> void* { 
        int n = 3;
        while(n--) {
            printf("%d\n", n);
            sleep(1);
        }
        pthread_exit((void *)1);
    };
    pthread_t tid = 0;
    pthread_create(&tid, NULL, f, NULL);
    pthread_detach(tid);
    while(1) {
        int ret = pthread_join(tid, NULL);
        if(ret != 0) {
            printf("error num: %d\n", ret);
            printf("join error: %s\n", strerror(ret)); 
        }
        sleep(1);
    }
    return 0;;
}

pthread_cancel函数

用来杀死线程，但是有一定的延时性，需要到达固定的取消点（检查点）才能杀死线程。

终止线程方式

1. 使用return结束回调函数
2. 使用pthread_exit函数
3. 使用pthread_cancel函数

注意事项

pthread函数具有一定的延时性，比如玩游戏必须要到某个地方（客栈等）的存档点才能存档，在Linux中可以简单的认为系统函数中都会有一个cancel检查点，如果在函数体中没有检查点，那么需要手动调用pthread_testcancel函数来设置检查点发，但是有一定的延时性。

代码演示

 #include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    void *(*f)(void*arg) = [](void *arg) -> void*{
        int i = 0;
        while(1) {
            printf("xxxlife: %d\n", i++);
            //sleep(1);
            pthread_testcancel();
        }
    };  
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, f, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
    int ret = pthread_join(tid, NULL);
    if(ret != 0) {
        printf("join error: %s\n", strerror(ret)); 
    }
    return 0;
}

pthread_equal函数

在目前的Linux系统中用处并不大，应为pthread_t为整型数据所以可以使用“==”来判断，但是在未来的Linux系统中可能会对pthread_t进行拓展。

• 函数原型：int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2)；
• 作用：查看两个线程是否相同
• 返回值：如果相同则返回非零，否则返回0

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
无分离函数	pthread_detach

线程属性

结构体原型：

typedef struct
{
    int                           detachstate;     线程的分离状态
    int                          schedpolicy;   线程调度策略
    struct sched_param      schedparam;   线程的调度参数
    int                          inheritsched;    线程的继承性
    int                          scope;          线程的作用域
    size_t                      guardsize; 线程栈末尾的警戒缓冲区大小
    int                          stackaddr_set;
    void *                     stackaddr;      线程栈的位置
    size_t                      stacksize;       线程栈的大小
}pthread_attr_t;          

我们对于线程属性暂时掌握常用的三个属性：

1. 设置线程的分离状态，使用pthread_detach函数也可以做到
2. 设置线程栈大小
3. 设置线程警戒区的大小
   什么事警戒区：警戒区为内核栈中两个栈帧之间的区域，为了防止栈溢出

线程属性初始化

pthread_init函数

• 函数原型：int pthread_init(pthread_attr_t * attr);
• 作用：初始化一个线程属性
• 返回值：成功返回0，失败返回错误号

线程分离状态

pthread_attr_setdetachstate函数

• 函数原型：int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int pthread_state)
• 参数：对于第二个参数，系统提供了两个宏分别为THREAD_CREATE_DETACHED以及PTHREAD_CREATE_JOINABLE
• 作用：第一个宏为设置线程为游离态，第二个为加入态
• 返回值：成功返回0，失败返回错误号

代码演示

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void) {
    auto f = [](void * arg) mutable -> void* {
        printf("thread start");
        pthread_exit((void*)1);
    };
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, &attr, f, NULL);
    if(ret != 0) {
        printf("create error: %s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }
    ret = pthread_join(tid, NULL);
    sleep(2);
    if(ret != 0) {
        printf("%d\n", ret);
        printf("join error: %s\n", strerror(ret));
    }
    return 0;
}

线程的栈控制

pthread_attr_setstack函数

用来设置线程栈的地址和大小

• 函数原型：int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t * attr， void * stack_addr， size_t stack_size);
• 函数作用：从堆中申请空间并设置为线程栈
• 返回值：成功返回0，失败返回错误号

线程属性控制实例

代码演示

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

const int size = 0x10000000;
void * t_fun(void *arg) {
    while(1) {
        sleep(1);
    }
    pthread_exit((void *) 1);
}

int main(void) {
    pthread_attr_t attr;
    pthread_t tid;
    pthread_attr_init(&attr);
    int detached;
    pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detached);
    if(detached == PTHREAD_CREATE_DETACHED) {
        puts("thread detached"); 
    }
    if(detached == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) {
        puts("thread joinable");
    }
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    void * stackaddr = nullptr;
    int cnt = 0;
    while(1) {
        stackaddr = malloc(size);
        if(stackaddr == nullptr) {
            perror("malloc");
            exit(1);
        }
        pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, size);
        int ret = pthread_create(&tid, &attr, t_fun, NULL);
        if(ret != 0) {
            printf("creat error: %s\n", strerror(ret)); 
            printf("%d threads has create\n", cnt);
            exit(1);
        }
        cnt++;
    }
    pthread_attr_destroy(&attr);
    return 0;
}