linux多线程---pthread_cancel

线程创建

1．1 线程与进程

相对进程而言，线程是一个更加接近于执行体的概念，它可以与同进程中的其他线程共享数据，但拥有自己的栈空间，拥有独立的执行序列。在串行程序基础上引入线程和进程是为了提高程序的并发度，从而提高程序运行效率和响应时间。

线程和进程在使用上各有优缺点：线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。同时，线程适合于在SMP机器上运行，而进程则可以跨机器迁移。

1．2 创建线程

POSIX通过pthread_create()函数创建线程，API定义如下：

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

与fork()调用创建一个进程的方法不同，pthread_create()创建的线程并不具备与主线程（即调用pthread_create()的线 程）同样的执行序列，而是使其运行start_routine(arg)函数。thread返回创建的线程ID，而attr是创建线程时设置的线程属性 （见下）。pthread_create()的返回值表示线程创建是否成功。尽管arg是void *类型的变量，但它同样可以作为任意类型的参数传给start_routine()函数；同时，start_routine()可以返回一个void *类型的返回值，而这个返回值也可以是其他类型，并由pthread_join()获取。

1．3 线程创建属性

pthread_create()中的attr参数是一个结构指针，结构中的元素分别对应着新线程的运行属性，主要包括以下几项：

__detachstate，表示新线程是否与进程中其他线程脱离同步，如果置位则新线程不能用pthread_join()来同步，且在退出时自行释放 所占用的资源。缺省为PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。这个属性也可以在线程创建并运行以后用pthread_detach()来设 置，而一旦设置为PTHREAD_CREATE_DETACH状态（不论是创建时设置还是运行时设置）则不能再恢复到 PTHREAD_CREATE_JOINABLE状态。

__schedpolicy，表示新线程的调度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非实时）、SCHED_RR（实时、轮转法）和 SCHED_FIFO（实时、先入先出）三种，缺省为SCHED_OTHER，后两种调度策略仅对超级用户有效。运行时可以用过 pthread_setschedparam()来改变。

__schedparam， 一个struct sched_param结构，目前仅有一个sched_priority整型变量表示线程的运行优先级。这个参数仅当调度策略为实时（即SCHED_RR 或SCHED_FIFO）时才有效，并可以在运行时通过pthread_setschedparam()函数来改变，缺省为0。

__inheritsched，有两种值可供选择：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表 示新线程使用显式指定调度策略和调度参数（即attr中的值），而后者表示继承调用者线程的值。缺省为PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope，表示线程间竞争CPU的范围，也就是说线程优先级的有效范围。POSIX的标准中定义了两个 值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示与系统中所有线程一起竞争CPU时间，后者表示仅 与同进程中的线程竞争CPU。目前LinuxThreads仅实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t结构中还有一些值，但不使用pthread_create()来设置。

为了设置这些属性，POSIX定义了一系列属性设置函数，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和与各个属性相关的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函数。

1．4 线程创建的Linux实现

我 们知道，Linux的线程实现是在核外进行的，核内提供的是创建进程的接口do_fork()。内核提供了两个系统调用__clone()和 fork()，最终都用不同的参数调用do_fork()核内API。当然，要想实现线程，没有核心对多进程（其实是轻量级进程）共享数据段的支持是不行 的，因此，do_fork()提供了很多参数，包括CLONE_VM（共享内存空间）、CLONE_FS（共享文件系统信息）、 CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信号句柄表）和CLONE_PID（共享进程ID，仅对核内进程，即0号 进程有效）。当使用fork系统调用时，内核调用do_fork()不使用任何共享属性，进程拥有独立的运行环境，而使用 pthread_create()来创建线程时,则最终设置了所有这些属性来调用__clone()，而这些参数又全部传给核内的do_fork()，从 而创建的"进程"拥有共享的运行环境，只有栈是独立的，由__clone()传入。

Linux线程在核内是以轻量级进程的形式存在的，拥有独立的进程表项，而所有的创建、同步、删除等操作都在核外pthread库中进行。pthread 库使用一个管理线程（__pthread_manager()，每个进程独立且唯一）来管理线程的创建和终止，为线程分配线程ID，发送线程相关的信号 （比如Cancel），而主线程（pthread_create()）的调用者则通过管道将请求信息传给管理线程。

线程取消

2．1 线程取消的定义

一般情况下，线程在其主体函数退出的时候会自动终止，但同时也可以因为接收到另一个线程发来的终止（取消）请求而强制终止。

2．2 线程取消的语义

线程取消的方法是向目标线程发Cancel信号，但如何处理Cancel信号则由目标线程自己决定，或者忽略、或者立即终止、或者继续运行至Cancelation-point（取消点），由不同的Cancelation状态决定。

线程接收到CANCEL信号的缺省处理（即pthread_create()创建线程的缺省状态）是继续运行至取消点，也就是说设置一个CANCELED状态，线程继续运行，只有运行至Cancelation-point的时候才会退出。

2．3 取消点

根 据POSIX标准，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、 pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函数以及read()、write()等会引起阻塞的系 统调用都是Cancelation-point，而其他pthread函数都不会引起Cancelation动作。但是pthread_cancel的手 册页声称，由于LinuxThread库与C库结合得不好，因而目前C库函数都不是Cancelation-point；但CANCEL信号会使线程从阻 塞的系统调用中退出，并置EINTR错误码，因此可以在需要作为Cancelation-point的系统调用前后调用 pthread_testcancel()，从而达到POSIX标准所要求的目标，即如下代码段：

pthread_testcancel(); retcode = read(fd, buffer, length); pthread_testcancel();

2．4 程序设计方面的考虑

如果线程处于无限循环中，且循环体内没有执行至取消点的必然路径，则线程无法由外部其他线程的取消请求而终止。因此在这样的循环体的必经路径上应该加入pthread_testcancel()调用。

2．5 与线程取消相关的pthread函数

int pthread_cancel(pthread_t thread) 
发送终止信号给thread线程，如果成功则返回0，否则为非0值。发送成功并不意味着thread会终止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate) 
设置本线程对Cancel信号的反应，state有两种值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和 PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分别表示收到信号后设为CANCLED状态和忽略CANCEL信号继续运行；old_state如果不为 NULL则存入原来的Cancel状态以便恢复。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype) 
设置本线程取消动作的执行时机，type由两种取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和 PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，仅当Cancel状态为Enable时有效，分别表示收到信号后继续运行至下一个取消点再退出和 立即执行取消动作（退出）；oldtype如果不为NULL则存入运来的取消动作类型值。

void pthread_testcancel(void) 
检查本线程是否处于Canceld状态，如果是，则进行取消动作，否则直接返回。

   一个实例的分析：
    

#include<iostream> #include<unistd.h> #include<pthread.h> using namespace std; pthread_t pid[3]; void* thread_run_1(void* arg){     cout<<"Now in the thread 1"<<endl;     int sum = 0;     int state, oldstate;     state = PTHREAD_CANCEL_DEFERRED;     pthread_setcancelstate(state, &oldstate);     cout<<"oldstate is "<<(state == oldstate? "Deferred":"Async")<<endl;     //耗时间的循环     for (int i = 1; i<=INT_MAX; ++i);         cout<<"before testcancel"<<endl;     pthread_testcancel();     cout<<"after testcancel"<<endl;     cout<<"thread 1 done!"<<endl; } void* thread_run_2(void* arg){     cout<<"Now in the thread 2"<<endl;     pthread_cancel(pid[1]);     sleep(2);     cout<<"thread 2 done!"<<endl; } int main(){     pid[0] = pthread_self();     if (pthread_create(&pid[1],NULL,thread_run_1,NULL) != 0){         cout<<"error create thread 1"<<endl;         return -1;     }     if (pthread_create(&pid[2],NULL,thread_run_2,NULL) != 0){         cout<<"error create thread 2"<<endl;         return -1;     }     sleep(5);     cout<<"Main thread done!"<<endl; }

在这个程序中，我们在main线程中生成两个线程:thread1和thread2，并使用一个全局数组pid来保存线程的id。在这个程序中，我们在thread2中执行取消其他线程的操作。

运行结果如下：
[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
Now in the thread 2
thread 2 done!
Main thread done!
[antony@localhost src]$

thread1后面几个输出都没有进行，可以看到是确实的被thread2取消了。

下面进行进一步的讨论：
1、很明显，thread1并没有运行到pthread_testcancel所指示的地方，我估计上是在cout函数中存在取消点。可以增加thread1的循环次数，例如：

cout<<"before testcancel"<<endl; for (int i = 0; i<INT_MAX;++i)     for(int j = 0; j<INT_MAX; ++j);

运 行结果并没有什么不同，经测试pthread_cancel()函数也没有返回出错值。因此上，我们可以知道，pthread_cancel函数是非阻塞 函数，这个程序运行的过程中应该发生了这样的事情：thread2提请内核cancel掉thread1，然后thread2自己结束返回，之后经过一段 时间的调度，main thread得到了运行机会，输出Main thread done!后main thread结束，然后整个进程结束，thread1随着整个进程被杀掉。

实际上，我们在这个测试中并没有测试到 pthread_testcancel函数，如果我们把main thread中sleep的时间增加，就可以使得程序运行到thread1的pthread_testcancel()处。如果thread1确实被取消 了，则“after testcancel”不会被输出。

为了在main thread中确保thread1返回，我们使用pthread_join函数来阻塞整个程序直到thread1返回，这个函数的用法稍后继续说明。

在main函数中修改下列语句：

pthread_join(pid[1],NULL);

这样，main函数的结束标志着thread1必然已经结束。为了使得等待的时间不要太长（循环INT_MAX次足够你睡一个午觉了）建议把thread1中的循环次数改小一点，具体的根据你的机器而定，只要运行时间超过2-3秒就足够了，我把它设置成大约1e9。

编译运行结果：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
before testcancel
Now in the thread 2
thread 2 done!
Main thread done!
[antony@localhost src]$

这样的结果，我们可以看到，thread1运行到pthread_testcancel处被取消而返回main线程，从而后面的输出都没有完成。

2、可能有人奇怪为什么main函数中要有sleep(5)，不妨去掉这行代码运行一下：

编译运行结果：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Main thread done!
[antony@localhost src]$

其他线程还没有得到运行机会就终止了，因为main thread结束之后，整个进程也就结束了，并不等待所有线程都完成。

3、如果我们取消main线程，会发生什么事情呢？
把thread2中的pthread_cancel函数的参数稍微改一下，改成pid[0]，编译运行的结果如下：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
before testcancel
Now in the thread 2
thread 2 done!
after testcancel
thread 1 done!
[antony@localhost src]$


main线程被我们顺利取消了！在thread1运行结束之后，整个进程结束。
如果我们在取消main线程之前，取消掉thread1，也就是：

pthread_cancel(pid[1]); pthread_cancel(pid[0]);

编译运行结果如下：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
before testcancel
Now in the thread 2
thread 2 done!
[antony@localhost src]$

需要说明的是，在thread2结束之后，整个进程并没有马上结束，而是等到thread1运行到pthread_cancel之后才结束的。取消thread1的命令并没有随着main线程的结束而结束。

总结一下这个对这个实例的研究：

pthread_cancel()函数并不阻塞，在向内核发出取消某个线程的信号之后立刻返回调用线程。

pthread_cancel()的信号并不会随着main线程状态的改变而改变，这个信号是直接与内核相连的。

对于一个多线程程序而言，以下两种情况都会导致其终止：
    a) main线程正常结束，则进程不管其他线程的情况，马上结束（也有可能是给其他线程发了终止信号，这个问题留待我研究信号的时候进一步讨论）
    b) main线程被其他线程取消，则等待所有线程结束（关于“所有”，我增加了一个thread3测试过了。）