linux 线程详解

前言

        程序运行在内存空间中叫进程，进程中包含有若干线程，线程是系统调度和执行的基本单位。线程才是程序运行的实体，通常程序里的main()函数就相当于主线程，把进程理解成一个容器，里面可以包含有若干线程和若干资源（进程环境变量、打开的文件描述符、信号量、虚拟地址空间、代码、数据等），同一个进程中，所有线程共享进程所有资源，每个线程也有自己的程序计数器、栈空间和寄存器等。

1. 展望多进程、多线程的优劣

进程是资源分配的最小单位，而线程是程序运行的最小单位。

1.1 多进程

由于进程间是互不干扰的，每个进程都有自己的用户虚拟空间，可靠性高，但数据共享方面就会比较复杂，需要用到 IPC通信机制；

进程内存占用大，进程间的切换系统开销大、切换速度较慢；

它的编程与调试相对简单点。

1.2 多线程

同一进程下的多个线程通信容易，因为它们处于同一个虚拟空间下；

其中一个线程调用exit()或其它函数退出，会导致整个进程都退出，不太可靠；

线程占用内存少，线程间切换速度快，创建、销毁线程速度也比进程快；

编程与调试相对复杂。

2. 线程概述

进程有唯一的进程号PID，线程也不例外，也有唯一的ID号，线程ID不同于进程ID，它是只有在进程运行的时候才有意义。

linux系统中，线程ID是一个无符号长整形数，可以通过pthread_self(void)函数获取线程ID。

在shell终端编译链接的时候，由于pthread不在gcc默认的链接库中，需要在编译命令中使用 -l 选项指定链接库pthread，格式为：gcc -o app app.c -lpthread。

2. 线程操作集API

2.1 创建线程

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,

                                        void *(*start_routine) (void *), void *arg)

参数：

thread：一个传出参数，指向线程ID的指针；

attr：设置线程属性；通常设为NULL，表示使用线程默认属性；

start_routine：一个函数指针，指向线程运行的起始地址；

arg：传给线程执行函数的参数，通常设为NULL，表示不需要传参；

返回值：

成功：返回 0 ；

失败：返回错误编号。

2.2 退出线程

在多线程的应用中，通常不会调用exit()等函数退出，这会造成整个进程一并退出，影响到其它还要运行的线程，所以通常是调用pthread_exit函数逐个退出线程。

头文件：

#include

函数原型：

void pthread_exit(void *retval)

参数：

retval：表示线程的退出状态，通常设置为NULL。

2.3 回收线程

调用pthread_join函数会阻塞等待线程的终止，并获取退出码。如果指定线程在调用pthread_join函数之前就已经退出了，则函数立马返回。pthread_join不能回收已处于death状态的线程。

头文件：

#include

函数原型:

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval)

参数：

thread：指定回收线程ID；

retval：线程退出返回值；不关心退出码则设为NULL；

返回值：

成功：返回 0 ；

失败：返回错误码。

示例程序：

一个进程中有三个线程，主线程创建完线程1和线程2后就退出了，线程1阻塞等待线程2的退出，线程2创建后延迟5s退出。

#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_t pth1,pth2;
void *ret = NULL;

void *pthread_1(void *arg)
{
    printf("this is pthread_1.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_join(pth2,&ret);
    printf("pth2 has exit.ret:%d\n",ret);
    pthread_exit(NULL);
}

void *pthread_2(void *arg)
{
    printf("this is pthread_2.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    sleep(5);
    pthread_exit((void *)5);
}

int main()
{
    if(pthread_create(&pth2,NULL,pthread_2,NULL) != 0){
        perror("pthread_2 create");
        exit(0);
    }

    if(pthread_create(&pth1,NULL,pthread_1,NULL) != 0){
        perror("pthread_1 create");
        exit(0);
    }
    printf("main pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_exit(0);

    return 0;
}

2.4 取消指定线程

调用pthread_cancel函数后，立马返回，不会等待线程退出后才返回。pthread_exit是主动退出，而pthread_cancel是被动退出的。

头文件：

#include

函数原型:

int pthread_cancel(pthread_t thread)

参数：

thread：指定线程ID；

返回值：

成功：返回 0 ；

失败：返回错误码。

示例程序：

一个进程中有三个线程，主线程创建完线程1和线程2后，延迟3s调用pthread_cancel函数被动退出线程2，线程1阻塞等待线程2的退出。（如果把线程2中while(1)里的sleep函数去掉，你会发现线程2不响应cancel信号，这是因为没有触发时间点，下面有解析“时间点”）。

#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_t pth1,pth2;
void *ret = NULL;

void *pthread_1(void *arg)
{
    printf("this is pthread_1.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_join(pth2,&ret);
    printf("pth2 has exit.ret:%d\n",ret);
    pthread_exit(NULL);
}

void *pthread_2(void *arg)
{
    printf("this is pthread_2.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    while(1)
    {
        printf("pth-2\n");
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    if(pthread_create(&pth2,NULL,pthread_2,NULL) != 0){
        perror("pthread_2 create");
        exit(0);
    }
    if(pthread_create(&pth1,NULL,pthread_1,NULL) != 0){
        perror("pthread_1 create");
        exit(0);
    }
    printf("main pth-id:%ld\n",pthread_self());
    sleep(3);
    pthread_cancel(pth2);
    pthread_exit(0);

    return 0;
}

2.4.1  线程取消状态

默认情况下，线程会响应pthread_cancel函数的调用，但也可以设置为不响应取消线程。

线程为不响应取消时，如果接收到取消请求，则会将请求挂起，直至线程的取消性状态变为响应。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)

参数：

state：设置新的响应状态；

        PTHREAD_CANCEL_ENABLE：线程响应取消；

        PTHREAD_CANCEL_DISABLE：线程不响应取消；

oldstate：保存旧的响应状态；NULL，表示不关心旧状态；

返回值：

成功：返回 0；

失败：返回错误码。

2.4.2  线程取消类型

在线程状态设置为PTHREAD_CANCEL_ENABLE的情况下，调用pthread_setcanceltype函数设置线程响应 Cancel 信号的时间点，默认值为PTHREAD_CANCEL_DEFERRED。

说说什么叫时间点，可以理解从某函数的调用，如果没有达到时间点系统会认为还在执行重要指令，就不会响应取消线程，下图罗列一些触发时间点函数（也可以shell终端输入命令“man 7 pthreads”查看详细内容）。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)

参数：

type：设置线程类型；

 PTHREAD_CANCEL_DEFERRED：当线程执行到某个可作为取消点的函数时终止执行；

 PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS：接收到 Cancel 信号后立即结束执行；

oldtype：保存线程旧的类型；设为NULL表示不关心旧类型；

返回值：

成功：返回 0；

失败：返回错误码。

2.5 线程分离

调用pthread_join()获取其返回状态、回收线程资源，它会阻塞等待，就显得很不友好了；

调用pthread_detach函数将线程分离，当线程结束后，它的退出状态不由其它线程获取，而是由该线程自身自动释放。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_detach(pthread_t thread)

参数：

thread：指定分离线程ID；

返回值：

成功：返回0；

失败：返回错误码。

示例程序：

线程2中调用分离线程函数将线程2分离出去了，线程1中调用回收线程函数，从打印信息可以看出，线程2还没有退出的时候，pthread_join函数就返回退出了。

#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_t pth1,pth2;
void *ret = NULL;

void *pthread_1(void *arg)
{
    printf("this is pthread_1.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_join(pth2,&ret);
    printf("ret:%d\n",ret);
    pthread_exit(NULL);
}

void *pthread_2(void *arg)
{
    pthread_detach(pth2);
    printf("this is pthread_2.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    sleep(5);
    printf("pth2 will exit.\n");
    pthread_exit((void *)5);
}

int main()
{
    if(pthread_create(&pth2,NULL,pthread_2,NULL) != 0){
        perror("pthread_2 create");
        exit(0);
    }
    sleep(1);
    if(pthread_create(&pth1,NULL,pthread_1,NULL) != 0){
        perror("pthread_1 create");
        exit(0);
    }
    printf("main pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}

3. 线程的属性

线程创建函数pthread_create()的第三个参数可以设置线程的属性const pthread_attr_t *attr。

pthread_attr_t结构体内容如下：

typedef struct
{
    int                     etachstate;                   //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;             //线程栈的设置
    void*                 stackaddr;                  //线程栈的位置
    size_t                 stacksize;                 //线程栈的大小
} pthread_attr_t;

3.1  初始化与销毁属性

该结构体成员变量的值不能随意更改，需要在线程创建前调用pthread_attr_init函数初始化；

线程退出时调用pthread_attr_destroy函数销毁属性资源。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr)        //attr设为NULL表示默认配置属性；
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr)

返回值：

成功：返回0；

失败：返回错误码。

3.2 分离状态

线程的分离状态决定一个线程终止自身运行的方式，默认情况下线程处于非分离状态。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate)        //设置分离状态；

int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate)//获取分离状态；

参数：

detachstate：分离状态属性；

      PTHREAD_CREATE_DETACHED(1)：以分离状态启动线程，无法被其它线程回收；

      PTHREAD_CREATE_JOINABLE(0)：默认值，非分离状态启动，可以被其它线程回收；

返回值：

成功：返回0；

失败：返回错误码。

3.3 调度策略

分时调度策略通过nice值和counter值决定调度权值，nice值越小、counter越大，被调用的概率越高。

实时调度策略通过优先级决定调度权值；设置为SCHED_FIFO时，当前优先级最高者获得cpu运行，而同优先级下设置为SCHED_RR时，按照时间片轮询。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy)        //设置调度策略；
int pthread_attr_getschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int *policy)      //获取调度策略；

 参数：

policy：

        SCHED_OTHER：分时调度策略；

        SCHED_FIFO，实时调度策略，先到先得；

        SCHED_RR，实时调度策略，按时间片轮询。

返回值：

成功：返回0；

失败：返回错误码。

3.4 栈属性

线程的栈用于存储线程的私有数据。

头文件：

#include

函数原型：

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize)

int pthread_attr_getstack(const pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize)

int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize)

int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize)

int pthread_attr_setstackaddr(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr)

int pthread_attr_getstackaddr(const pthread_attr_t *attr, void **stackaddr)

参数：

stackaddr：栈起始地址；

stacksize：栈大小；

返回值：

成功：返回0；

失败：返回错误码。

测试例程：

创建线程前初始化属性，设置分离状态为PTHREAD_CREATE_DETACHED（值为1），然后创建一个线程，并在线程里获取分离状态，打印出来。

#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_attr_t attr;

void *pthread_1(void *arg)
{
    int detachstate;

    printf("this is pthread_1.pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_attr_getdetachstate(&attr,&detachstate);
    printf("detachstate = %d\n",detachstate);
    pthread_exit(NULL);
}


int main()
{
    pthread_t pth1;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    if(pthread_create(&pth1,NULL,pthread_1,NULL) != 0){
        perror("pthread_1 create");
        exit(0);
    }
    printf("main pth-id:%ld\n",pthread_self());
    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}