线程

1、线程概念

1.1 线程和进程的关系

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. 在美国人眼里，线程就是寄存器和栈
5. 在Linux下，线程 最是小的 执行单位；进程 是最小的 分配资源单位
   
   

1.2 线程间共享资源

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，堆，共享库

线程间共享资源：

1.3 线程间非共享资源

1. 线程id
2. 处理器现场和栈指针(内核栈)
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

1.4 线程优缺点

优点：
（1）提高程序的并发性
（2）开销小，不用重新分配内存
（3）通信和共享数据方便

缺点：
（1）线程不稳定（库函数实现）
（2）线程调试比较困难（gdb支持不好）
（3）线程无法使用Unix经典事件，例如信号

2、线程原语

2.1 pthread_create：创建线程

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

pthread_t *thread：传递一个pthread_t变量地址进来，用于保存新线程的tid（线程ID）
const pthread_attr_t *attr：线程属性设置，如使用默认属性，则传NULL
void *(*start_routine) (void *)：函数指针，指向新线程应该加载执行的函数模块
void *arg：指定线程将要加载调用的那个函数的参数

返回值:成功返回0，失败返回错误号。以前学过的系统函数都是成功返回0，失败返回-1，而错误号保存在全局变量errno中，而pthread库的函数都是通过返回值返回错误号，虽然每个线程也都有一个errno，但这是为了兼容其它函数接口而提供的，pthread库本身并不使用它，通过返回值返回错误码更加清晰。

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的返回值类型也是void *，这个指针的含义同样由调用者自己定义。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，新创建的线程的id被填写到thread参数所指向的内存单元。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)可以获得当前进程的id，是一个正整数值。线程id的类型是thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值，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。

2.2 pthread_self：获取调用线程tid

#include 
pthread_t pthread_self(void);

2.3 pthread_exit：调用线程退出函数

调用线程退出函数，注意和exit函数的区别，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。
需要注意，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。

#include 
void pthread_exit(void *retval);

void *retval:线程退出时传递出的参数，可以是退出值或地址，如是地址时，不能是线程内部申请的局部地址。

2.4 pthread_join

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

pthread_t thread:回收线程的tid
void **retval:接收退出线程传递出的返回值
返回值：成功返回0，失败返回错误号

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_CANCELED。
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。

2.5 pthread_cancel

在进程内某个线程可以取消另一个线程。

#include 
int pthread_cancel(pthread_t thread);

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。可以在头文件pthread.h中找到它的定义：

#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

2.6 pthread_detach

#include 
int pthread_detach(pthread_t tid);

pthread_t tid:分离线程tid
返回值：成功返回0，失败返回错误号。

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。如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

2.7 pthread_equal

比较两个线程是否相等

#include 
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

3、线程终止方式

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程，可以有三种方法：

1. 从线程主函数return。这种方法对主控线程不适用，从main函数return相当于调用
   exit。
2. 一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
3. 线程可以调用pthread_exit终止自己。

同一进程的线程间，pthread_cancel 向另一线程发终止信号。系统并不会马上关闭被取消线程，只有在被取消线程下次系统调用时，才会真正结束线程。或调用pthread_testcancel，让内核去检测是否需要取消当前线程。

4、线程属性

linux下线程的属性是可以根据实际项目需要，进行设置，之前我们讨论的线程都是采用线程的默认属性，默认属性已经可以解决绝大多数开发时遇到的问题。如我们对程序的性能提出更高的要求那么需要设置线程属性，比如可以通过设置线程栈
的大小来降低内存的使用，增加最大线程个数。

typedef struct
{
	int etachstate; 	//线程的分离状态
	int schedpolicy; 	//线程调度策略
	structsched_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; 	//线程的栈设置
	void* stackaddr; 	//线程栈的位置
	size_t stacksize; 	//线程栈的大小
} pthread_attr_t;

注：目前线程属性在内核中不是直接这么定义的，抽象太深不宜拿出讲解，为方便大家理解，使用早期的线程属性定义，两者之间定义的主要元素差别不大。

属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在 pthread_create 函数之前调用。之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源。线程属性主要包括如下属性：作用域（scope）、栈尺寸（stack size）、栈地址（stack address）、优先级（priority）、分离的状态（detached state）、调度策略和参数（scheduling policy and parameters）。默认的属性为非绑定、非分离、缺省M的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

4.1 线程属性初始化

先初始化线程属性，再 pthread_create 创建线程

#include 
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); 		//初始化线程属性
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 	//销毁线程属性所占用的资源

4.2 线程的分离状态（detached state）

线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。

非分离状态:线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。
分离状态:分离线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。

线程分离状态的函数：

#include 
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate); //设置线程属性，分离or非分离
int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate); //获取程属性，分离or非分离

pthread_attr_t *attr:被已初始化的线程属性
int *detachstate:可选为PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）

这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，
它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用 pthread_create 的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用 pthread_cond_timedwait 函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数 pthread_create 返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。

4.3 线程的栈地址（stack address）

POSIX.1定义了两个常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR 和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE检测系统是否支持栈属性。也可以给sysconf函数传递_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或 _SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE 来进行检测。

当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。通过pthread_attr_setstackaddr和pthread_attr_getstackaddr两个函数分别设置和获取线程的栈地址。传给pthread_attr_setstackaddr函数的地址是缓冲区的低地址（不一定是栈的开始地址，栈可能从高地址往低地址增长）。

#include 
int pthread_attr_setstackaddr(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr);
int pthread_attr_getstackaddr(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr);

attr: 指向一个线程属性的指针
stackaddr: 返回获取的栈地址
返回值：若是成功返回0,否则返回错误的编号
说 明：函数已过时，一般用下面讲到的pthread_attr_getstack来代替

4.4 线程的栈大小（stack size）

当系统中有很多线程时，可能需要减小每个线程栈的默认大小，防止进程的地址空间不够用,当线程调用的函数会分配很大的局部变量或者函数调用层次很深时，可能需要增大线程栈的默认大小。

函数pthread_attr_getstacksize和 pthread_attr_setstacksize提供设置。

#include 
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);

attr 指向一个线程属性的指针
stacksize 返回线程的堆栈大小
返回值：若是成功返回0,否则返回错误的编号

除上述对栈设置的函数外，还有以下两个函数可以获取和设置线程栈属性

#include 
int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize);

attr 指向一个线程属性的指针
stackaddr 返回获取的栈地址
stacksize 返回获取的栈大小
返回值：若是成功返回0,否则返回错误的编号

4.5 线程属性控制实例

#include 
#include 
#include 
#include 
#define SIZE 0x10000
int print_ntimes(char *str)
{
	sleep(1);
	printf("%s\n", str);
	return 0;
}
void *th_fun(void *arg)
{
	int n = 3;
	while (n--)
	print_ntimes("hello xwp\n");
}
int main(void)
{
	pthread_t tid;
	int err, detachstate, i = 1;
	pthread_attr_t attr;
	size_t stacksize;
	void *stackaddr;
	
	pthread_attr_init(&attr);
	
	pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);
	printf("stackadd=%p\n", stackaddr);
	printf("stacksize=%x\n", (int)stacksize);
	
	pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);
	if (detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED)
		printf("thread detached\n");
	else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)
		printf("thread join\n");
	else
		printf("thread un known\n");
	/* 设置线程分离属性 */
	pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
	
	while (1) {
		/* 在堆上申请内存，指定线程栈的起始地址和大小 */
		stackaddr = malloc(SIZE);
		if (stackaddr == NULL) {
			perror("malloc");
			exit(1);
		}
		stacksize = SIZE;
		pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize);
		
		err = pthread_create(&tid, &attr, th_fun, NULL);
		if (err != 0) {
			printf("%s\n", strerror(err));
			exit(1);
		}
		printf("%d\n", i++);
	}
	
	pthread_attr_destroy(&attr);
	return 0;
}