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。)

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