Linux下的系统编程——守护进程、线程（十二）
前言：
我们知道进程拥有一个PCB，在Linux中被称为task_struct,并且有一个进程地址空间，也有一个页表，通过页表指向物理内存，但是从今天开始，对进程的概念可能发生变化，这个我们后边来说，在Linux中，并没有真正的线程，而是使用进程的PCB来模拟线程，也就是说一个线程在创建时，只会去创建一个PCB，而这个PCB也指向主线程的虚拟地址空间，和其他线程一起共享内存的代码和数据。一个线程也被称为一个执行流，这是因为线程是被CPU调度的执行流，而一个进程就是分配系统资源的基本实体。下面让我们进入线程的学习吧！
目录
一、进程组和会话
*二、守护进程：
1.守护进程：
2.守护进程创建步骤：
编辑 三、线程
1.三级映射：
2.线程概念：
3.线程共享：
（1）线程共享资源
（2） 线程非共享资源
4.线程优、缺点
5.线程控制原语：
1）获取线程id
2） 创建子线程。
3）循环创建N个子线程：
4）线程中全局变量共享
5) 退出当前线程
6) 阻塞 回收线程
7）杀死一个线程。
8）设置线程分离
9) 线程与进程原语比较
6.线程属性：
一、进程组和会话
进程组，也称之为作业。BSD 于 1980 年前后向 Unix 中增加的一个新特性。代表一个或多个进程的集合。每个 进程都属于一个进程组。在 waitpid 函数和 kill 函数的参数中都曾使用到。操作系统设计的进程组的概念，是为了简 化对多个进程的管理。
当父进程，创建子进程的时候，默认子进程与父进程属于同一进程组。进程组 ID==第一个进程 ID(组长进程)。 所以，组长进程标识：其进程组 ID==其进程 ID
可以使用 kill -SIGKILL -进程组 ID(负的)来将整个进程组内的进程全部杀死。
组长进程可以创建一个进程组，创建该进程组中的进程，然后终止。只要进程组中有一个进程存在，进程组就存在，与组长进程是否终止无关。
*二、守护进程：
1.守护进程：
daemon（精灵）进程。通常运行与操作系统后台，脱离控制终端。一般不与用户直接交互。周期性的等待某个事件发生或周期性执行某一动作。
不受用户登录注销影响。通常采用以d结尾的命名方式。
**2.守护进程创建步骤：
1. fork子进程，让父进程终止。
2. 子进程调用 setsid() 创建新会话
3. 通常根据需要，改变工作目录位置 chdir()， 防止目录被卸载。
4. 通常根据需要，重设umask文件权限掩码，影响新文件的创建权限。
022 -- 755 0345 --- 432 r---wx-w- 422
5. 通常根据需要，关闭/重定向文件描述符
6. 守护进程业务逻辑。while（）
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(const char *str){
perror(str);
exit(1);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
pid_t pid;
int ret,fd;
pid = fork(); //创建进程
if(pid > 0) //父进程终止
exit(0);
pid = setsid(); //创建新会话
if(pid == -1)
sys_err("setsid error");
ret = chdir("/home/book/Desktop"); //改变工作目录位置
if(ret == -1)
sys_err("chdir error");
umask(0022); //改变文件访问权限掩码
close(STDIN_FILENO); //关闭文件描述符 0
fd = open("/dev/null",O_RDWR); //fd --> 0
if(fd == -1)
sys_err("open error");
dup2(fd,STDOUT_FILENO); //重定向stdout
dup2(fd,STDERR_FILENO); //重定向stderr
while(1); //模拟守护进程业务
return 0;
} 用户的登录注销不影响进程
三、线程
1.三级映射：
三级映射：
进程 PCB --> 页目录(可看成数组，首地址位于 PCB 中) --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元
2.线程概念：
进程：有独立的进程地址空间。有独立的pcb。 分配资源的最小单位。
线程：有独立的pcb。没有独立的进程地址空间。 最小单位的执行。
ps -Lf 进程id ---> 线程号。 LWP ---> cpu 执行的最小单位。
最小执行单位：
3.线程共享：
独享栈空间（内核栈、用户栈）
共享 ./text./data ./rodataa ./bsss heap ---> 共享【全局变量】（errno）
（1）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 (.text/.data/.bss/heap/共享库)
（2） 线程非共享资源
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
4.线程优、缺点
优点： 1. 提高程序并发性 2. 开销小 3. 数据通信、共享数据方便
缺点： 1. 库函数，不稳定 2. 调试、编写困难、gdb 不支持 3. 对信号支持不好
优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux 下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。
5.线程控制原语：
1）获取线程id
线程id是在进程地址空间内部，用来标识线程身份的id号。
pthread_t pthread_self(void);
返回值：本线程id
2） 创建子线程。
int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_rountn)(void *), void *arg);
参1：传出参数，表新创建的子线程 id
参2：线程属性。传NULL表使用默认属性。
参3：子线程回调函数。创建成功，pthread_create函数返回时，该函数会被自动调用。
参4：参3的参数。没有的话，传NULL
返回值：成功：0
失败：errno
获取线程id、创建子线程：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
//子线程
void *tfn(void *arg) //子进程回调函数
{
printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());//获取进程id
return NULL;
}
//主线程
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid;
int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL); //创建子进程
if (ret != 0) {
perror("pthread_create error");
}
printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());//获取进程id
//sleep(1);
//return 0;
pthread_exit((void *)0);
}
*3）循环创建N个子线程：
for （i = 0； i < 5; i++）
pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); // 将 int 类型 i， 强转成 void *， 传参。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
void *tfn(void *arg)
{
int i = (int)arg; //强转.受参数类型限制
sleep(i);
printf("--I'm %dth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
int ret;
pthread_t tid;
for (i = 0; i < 5; i++) {
ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); // i 传参采用 值传递. 借助强转.
if (ret != 0) {
sys_err("pthread_create error");
}
}
sleep(i);
printf("main: I'm Main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self());
return 0;
}
4）线程中全局变量共享
线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助 mmap
#include
#include
#include
#include
int var = 100;
void *tfn(void *arg)
{
var = 200;
printf("thread, var = %d\n", var);
return NULL;
}
int main(void)
{
printf("At first var = %d\n", var);
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
sleep(1);
printf("after pthread_create, var = %d\n", var);
return 0;
}
如果遇到以下编译问题，不要慌张
问题的原因：pthread不是linux下的默认的库，也就是在链接的时候，无法找到phread库中哥函数的入口地址，于是链接会失败。
解决：在gcc编译的时候，附加要加 -lpthread参数即可解决。
试用如下命令即可编译通过
gcc z.c -o z -lpthread
5) 退出当前线程
void pthread_exit(void *retval);
retval：退出值。 无退出值时，NULL
exit(); 退出当前进程。
return: 返回到调用者那里去。
pthread_exit(): 退出当前线程。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
void *tfn(void *arg)
{
int i = (int)arg; //强转.受参数类型限制
sleep(i);
if(i == 2){
}
printf("--I'm %dth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
int ret;
pthread_t tid;
for (i = 0; i < 5; i++) {
ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); // i 传参采用 值传递. 借助强转.
if (ret != 0) {
sys_err("pthread_create error");
}
}
sleep(i);
printf("main: I'm Main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self());
return 0;
}
exit(0) 退出线程
/********使用exit(0)**************/
void *tfn(void *arg)
{
int i = (int)arg;
sleep(i);
if(i == 2){
exit(0); //表示退出线程
}
printf("--I'm %dth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
return NULL 返回到调用者那里
/**********使用return NULL**************/
void *tfn(void *arg)
{
int i = (int)arg;
sleep(i);
if(i == 2){
return NULL; //返回到调用者那里
}
printf("--I'm %dth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
pthread_exit(NULL) 当前线程退出
/*****使用pthread_exit(NULL) 当前线程退出********/
void func(void)
{
pthread_exit(NULL);
return;
}
void *tfn(void *arg)
{
int i = (int)arg; //强转.受参数类型限制
sleep(i);
if(i == 2){
func(); //当前线程退出
}
printf("--I'm %dth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
/*********或者*************/
void *tfn(void *arg)
{
int i = (int)arg; //强转.受参数类型限制
sleep(i);
if(i == 2){
pthread_exit(NULL); //当前线程退出
}
printf("--I'm %dth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
*6) 阻塞 回收线程
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
thread: 待回收的线程id
retval：传出参数。 回收的那个线程的退出值。
线程异常借助，值为 -1。
返回值：成功：0
失败：errno
#include
#include
#include
#include
#include
#include
struct thrd{
int var;
char str[256];
};
void sys_err(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
void *tfn(void *arg)
{
struct thrd *tval;
tval = malloc(sizeof(tval));
tval->var = 100;
strcpy(tval->str,"hello thread");
return (void *)tval;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
pthread_t tid;
struct thrd *retval;
int ret = pthread_create(&tid,NULL,tfn,NULL);
if(ret != 0)
sys_err("pthread_create error");
ret = pthread_join(tid,(void **)&retval);
if(ret != 0)
sys_err("pthread_join error");
printf("child thread exit with var = %d,str = %s\n",retval->var,retval->str);
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
void *tfn(void *arg)
{
return (void *)74;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
pthread_t tid;
int *retval;
int ret = pthread_create(&tid,NULL,tfn,NULL);
if(ret != 0)
sys_err("pthread_create error");
ret = pthread_join(tid,(void **)&retval);
if(ret != 0)
sys_err("pthread_join error");
printf("child thread exit with %d\n",(void *)retval);
pthread_exit(NULL);
return 0;
} 
注意：
局部变量地址，不可做返回值
void *tfn(void *arg)
{
struct thrd tval; //局部变量地址，不可做返回值
tval = malloc(sizeof(tval));
tval->var = 100;
strcpy(tval->str,"hello thread");
return (void *)tval;
}7）杀死一个线程。
需要到达取消点（保存点）
int pthread_cancel(pthread_t thread);
thread: 待杀死的线程id
返回值：成功：0
失败：errno
如果，子线程没有到达取消点， 那么 pthread_cancel 无效。
我们可以在程序中，手动添加一个取消点。使用 pthread_testcancel();
成功被 pthread_cancel() 杀死的线程，返回 -1.使用pthead_join 回收。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void tfn()
{
while(1){
printf("thread: pid = %d,tid = %lu\n",getpid(),pthread_self());
sleep(1);
}
return NULL;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
pthread_t tid;
int ret = pthread_create(&tid,NULL,tfn,NULL);
if(ret != 0){
fprintf(stderr,"pthread_create error:%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
printf("main: pid =%d,tid = %lu\n",getpid,pthread_self());
sleep(5);
ret = pthread_cancel(tid);
if(ret != 0){
fprintf(stderr,"pthread_cancel error:%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
while(1);
return 0;
}
8）设置线程分离
int pthread_detach(pthread_t thread);
thread: 待分离的线程id
返回值：成功：0
失败：errno
注意：检查出错返回： 线程中：
fprintf(stderr, "xxx error: %s\n", strerror(ret));
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void *tfn(void *arg)
{
printf("thread: pid = %d, tid= %lu\n",getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret;
pthread_t tid;
ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL); // i 传参采用 值传递. 借助强转.
if (ret != 0) {
fprintf(stderr,"pthread_create error :%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
ret = pthread_detach(tid); //设置线程分离，线程终止，会自动清理pcb，无需回收
if (ret != 0) {
fprintf(stderr,"pthread_detach error :%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
sleep(2);
ret = pthread_join(tid,NULL); //tid为无效值
if (ret != 0) {
fprintf(stderr,"pthread_join error :%s\n",strerror(ret));
exit(1);
}
printf("main: I'm Main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self());
pthread_exit((void *)0);
}
9) 线程与进程原语比较
线程控制原语 进程控制原语
pthread_create() fork();
pthread_self() getpid();
pthread_exit() exit(); / return
pthread_join() wait()/waitpid()
pthread_cancel() kill()
pthread_detach()
6.线程属性：
设置分离属性。
pthread_attr_t attr 创建一个线程属性结构体变量
pthread_attr_init(&attr); 初始化线程属性
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
设置线程属性为分离态
pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL); 借助修改后的 设置线程属性 创建为分离态的新线程
pthread_attr_destroy(&attr); 销毁线程属性
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void *tfn(void *arg)
{
printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid;
pthread_attr_t attr;
int ret = pthread_attr_init(&attr);
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "attr_init error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
ret = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 设置线程属性为 分离属性
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "attr_setdetachstate error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
ret = pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
if (ret != 0) {
perror("pthread_create error");
}
ret = pthread_attr_destroy(&attr);
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "attr_destroy error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
//sleep(1) //等待子线程死亡
//因为join是可以阻塞的，所以不sleep也可以
ret = pthread_join(tid, NULL); //回收子线程，回收失败线程分离
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "pthread_join error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());
pthread_exit((void *)0);
}
7.线程使用注意事项
1）. 主线程退出其他线程不退出，主线程应调用 pthread_exit
2）. 避免僵尸线程
pthread_join
pthread_detach
pthread_create 指定分离属性
被 join 线程可能在 join 函数返回前就释放完自己的所有内存资源，所以不应当返回被回收线程栈中的值;
3）. malloc 和 mmap 申请的内存可以被其他线程释放
4）. 应避免在多线程模型中调用 fork 除非，马上 exec，子进程中只有调用 fork 的线程存在，其他线程在子进程 中均 pthread_exit
5） . 信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程引入信号机制