Linux系统编程（六）：线程

参考引用

• UNIX 环境高级编程 (第3版)
• 黑马程序员-Linux 系统编程

1. 线程概念

1.1 什么是线程

• 线程
  • LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程 (在 Linux 环境下)
  • 有独立的 PCB，但没有独立的地址空间 (共享)
  • 最小的执行单位
• 进程
  • 独立地址空间，拥有 PCB
  • 最小的资源分配单位，可看成是只有一个线程的进程
• 进程与线程的区别
  • 在于是否共享地址空间。独居(进程);合租(线程)。Linux 下:

1.2 Linux 内核线程实现原理

• 类 Unix 系统中，早期是没有 “线程” 概念的，80 年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切

  • 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
  • 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
  • 进程可以蜕变成线程
  • 线程可看做寄存器和栈的集合
  • 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

• 查看 LWP 号

  $ ps -Lf pid
  

• 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
  • 对于进程来说，相同的地址 (同一个虚拟地址) 在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽然虚拟地址一样，但页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟地址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面
  • 线程不同，两个线程具有各自独立的 PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面，所以两个 PCB 共享一个地址空间

• 实际上，无论是创建进程的 fork，还是创建线程的 pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数 clone

  • 如果复制对方的地址空间，那么就产出一个进程
  • 如果共享对方的地址空间，就产生一个线程

• Linux 内核是不区分进程和线程的，只在用户层面上进行区分。线程所有操作函数 pthread_* 都是库函数

1.3 线程共享/非共享资源

• 线程共享资源
  • 文件描述符表
  • 每种信号的处理方式
  • 当前工作目录
  • 用户 ID 和组 ID
  • 内存地址空间 （.text/.data/.bss/heap/共享库）
• 线程非共享资源
  • 线程 id
  • 处理器现场和栈指针 (内核栈)
  • 独立的栈空间 (用户空间栈)
  • errno 变量
  • 信号屏蔽字
  • 调度优先级

1.4 线程优、缺点

• 优点
  • 提高程序并发性
  • 资源开销小
  • 数据通信、共享数据方便
• 缺点
  • 库函数，不稳定
  • 调试、编写困难、gdb 不支持
  • 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，优先使用线程

2. 线程控制原语

2.1 pthread_self 函数

• 获取线程 ID，其作用对应进程中 getpid() 函数

  #include 
  
  // 返回值 成功 0； 失败：无
  pthread_t pthread_self(void);
  // Compile and link with -pthread
  

• 线程 ID：pthread_t 类型
  • 本质：在 Linux 下为无符号整数 (%lu)，其他系统中可能是结构体实现
  • 线程 ID 是进程内部识别标志 (两个进程间，线程 ID 允许相同)

不应使用全局变量 pthread_t tid 在子线程中通过 pthread_create 传出参数来获取线程 ID，而应使用 pthread_self

2.2 pthread_create 函数

• 创建一个新线程，其作用对应进程中的 fork() 函数

  #include 
  
  // 返回值 成功 0； 失败：对应的错误号
  int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
  // Compile and link with -pthread
  

  • 参数 1：传出参数，保存系统分配好的线程 ID
  • 参数 2：通常传 NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数
  • 参数 3：函数指针，指向线程主函数 (线程体)，该函数运行结束，则线程结束
  • 参数 4：线程主函数执行期间所使用的参数

• 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

• pthread_create 成功返回后，新创建的线程 ID 被填写到 thread 参数所指向的内存单元

  • 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 pthread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中 pthread_t 这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值、一个结构体、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

案例 1

• 创建一个新线程，打印线程 ID

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  void sys_err(const char *str) {
      perror(str);
      exit(1);
  }
  
  // 子线程
  void *tfn(void *arg) {
      printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());
  
      return NULL;
  }
  
  // 主线程
  int main(int argc, char *argv[]) {
      pthread_t tid;
  
      // attr 取 NULL 表示取默认值
      int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
      if (ret != 0) {
          perror("pthread_create error");
      }
      printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());
  
      pthread_exit((void *)0);  // 等价下面两行代码，此方法更优
  
      //sleep(1);
  	//return 0;
  }
  

  # pthread 不是 Linux 下的默认的库，链接的时候无法找到 phread 库中函数的入口地址，于是链接会失败
  # 所以在 gcc 编译的时候，要加 -pthread 参数即可解决
  $ gcc pthread_create.c -o pthread_create -pthread
  $ ./pthread_create
  main: pid = 2986, tid = 140380929427264
  thread: pid = 2986, tid = 140380921087744
  

案例 2

• 循环创建多个线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  void sys_err(const char *str) {
  	perror(str);
  	exit(1);
  }
  
  void *tfn(void *arg) {
      // 使用 int 报错：warning: cast from pointer to integer of different size [-Wpointer-to-int-cast]
      long i = (long)arg;  // 强制类型转换
      sleep(i);
      printf("I'm %ldth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
  
      return NULL;
  }
  
  int main(int argc, char *argv[]) {
      long 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，借助强制类型转换
          if (ret != 0) {
              sys_err("pthread_create error");
          }
      }
  
      sleep(i);
      printf("I'm main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self());
  
  	return 0;
  }
  

  $ gcc pthread_more.c -o pthread_more -pthread
  $ ./pthread_more 
  I'm 1th thread: pid = 3163, tid = 139852150068992
  I'm 2th thread: pid = 3163, tid = 139852141676288
  I'm 3th thread: pid = 3163, tid = 139852133283584
  I'm 4th thread: pid = 3163, tid = 139851990673152
  I'm 5th thread: pid = 3163, tid = 139852054001408
  I'm main: pid = 3163, tid = 139852158408512
  

2.3 线程与共享

• 线程间共享全局变量
  • 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

案例

• 验证线程之间共享全局数据

  #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;
  }
  

  $ gcc ttt.c -o ttt -pthread
  $ ./ttt 
  At first var = 100
  thread, var = 200
  after pthread_create, var = 200
  

2.4 pthread_exit 函数

• 将单个线程退出

  #include 
  
  void pthread_exit(void *retval);
  // Compile and link with -pthread
  

  • 参数 retval 表示线程退出状态，通常传 NULL
• 线程中禁止使用 exit() 函数，会导致进程内所有线程全部退出
  • 取而代之使用 pthread_exit 函数，将单个线程退出
  • 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

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

案例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void sys_err(const char *str) {
	perror(str);
	exit(1);
}

void func(void) {
    pthread_exit(NULL);         // 将当前线程退出

    return ;
}

void *tfn(void *arg) {
    long i = (long)arg;         // 强制类型转换
    sleep(i);

    if (i == 2) {
        //exit(0);              // 表示退出进程
        //return NULL;          // 表示返回到调用者那里去
        //func();
        pthread_exit(NULL);     // 将当前线程退出
    }
    printf("I'm %ldth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    long 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，借助强制类型转换
        if (ret != 0) {
            sys_err("pthread_create error");
        }
    }

    sleep(i);
    printf("I'm main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self());

    return 0;
}

$ gcc pthread_exit.c -o pthread_exit -pthread
$ ./pthread_exit
I'm 1th thread: pid = 3389, tid = 140125255145216
I'm 2th thread: pid = 3389, tid = 140125246752512
I'm 4th thread: pid = 3389, tid = 140125238359808
I'm 5th thread: pid = 3389, tid = 140125229967104
I'm main: pid = 3389, tid = 140125263484736

结论

• exit：将进程退出
• return：返回到调用者那里去
• pthread exit()：将调用该函数的线程退出

2.5 pthread_join 函数

• 阻塞等待线程退出（主线程等待子线程的终止），获取线程退出状态，其作用对应进程中 waitpid() 函数

  #include 
  
  // 返回值 成功：0  失败：错误号
  int pthread_join(pthread_t thread, void** retval);
  // Compile and link with -pthread.
  

  • thread：线程ID （不是指针）
  • retval：存储线程结束状态
    • 进程中：main 返回值、exit 参数–>int; 等待子进程结束 wait 函数参数 -->int*
    • 线程中：线程主函数返回值、pthread_exit–>void*; 等待线程结束 pthread_join 函数参数 -->void**

• 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

  • 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
  • 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
  • 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
  • 如果对 thread 线程的终止状态不感兴趣，可以传 NULL 给 retval 参数

案例

#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;
}
*/
/*
void *tfn(void *arg) {
    // 此处 tval 为局部变量，随函数调用产生而产生，函数调用结束后栈空间就没了，对应的 tval 也没了
    struct thrd tval;              

    tval.var = 100;
    strcpy(tval.str, "hello thread");

    // 局部变量 tval 地址不可做返回值
    return (void *)&tval;
}
*/ 
void *tfn(void *arg) {
    struct thrd *tval = (struct thrd *)arg;

    tval->var = 100;
    strcpy(tval->str, "hello thread");

    return (void *)tval;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t tid;

    struct thrd arg;
    struct thrd *retval;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)&arg);
    if (ret != 0)
        sys_err("pthread_create error");

    // tid 为传入参数，retval 为传出参数
    // 等待线程的结束，并将其返回值赋给 retval
    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);
}

2.5 pthread_detach 函数

• 实现线程分离

  #include 
  
  int pthread_detach(pthread_t thread);
  // Compile and link with -pthread
  

• 线程分离状态

  • 指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而是直接自动释放，网络、多线程服务器常用

• 进程若有类似线程分离的机制，将不会产生僵尸进程

  • 僵尸进程产生原因：由于进程死后，大部分资源被释放，但残留资源仍存于系统中，导致内核认为该进程仍存在

• 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 错误。也就是说，如果已经对一个线程调用了 pthread_detach 就不能再调用 pthread_join

案例

• 使用 pthread_detach 函数实现线程分离

  #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;
  
      int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
      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(1);
  
      ret = pthread_join(tid, NULL);
      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);
  }
  

  $ gcc pthread_detach.c -o pthread_detach -pthread
  $ ./pthread_detach 
  thread: pid = 3684, tid = 139762658100992
  pthread_join error : Invalid argument
  

2.6 pthread_cancel 函数

• 杀死(取消)线程，其作用，对应进程中 kill() 函数

  #include 
  
  int pthread_cancel(pthread_t thread);
  // Compile and link with -pthread.
  

• 线程的取消并不是实时的，而有一定的延时，需要等待线程到达某个取消点（检查点）
  • 类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所 (存档点，如: 客栈、仓库、城里等) 才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点
  • 取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置
  • 可粗略认为一个系统调用 (进入内核) 即为一个取消点。如线程中没有取消点，可以通过调用 pthread_testcancel 函数自行设置一个取消点

案例

#include 
#include 
#include 
#include 

void *tfn1(void *arg) {
    printf("thread 1 returning\n");

    return (void *)111;    
}

void *tfn2(void *arg) {
    printf("thread 2 exiting\n");
    pthread_exit((void *)222);
}

void *tfn3(void *arg) {
    while (1) {
        pthread_testcancel();  // 自己添加取消点
    }   

    return (void *)666;
}

int main(void) {
    pthread_t tid;
    void *tret = NULL;

    pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 1 exit code = %ld\n\n", (long)tret);

    pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 2 exit code = %ld\n\n", (long)tret);

    pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 3 exit code = %ld\n", (long)tret);

    return 0;
}

$ gcc pthread_cancel.c -o pthread_cancel -pthread
$ ./pthread_cancel
thread 1 returning
thread 1 exit code = 111

thread 2 exiting
thread 2 exit code = 222

thread 3 exit code = -1

终止线程方式

• 终止某个线程而不终止整个进程，有三种方法
  • 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
  • 一个线程可以调用 pthread_cancel 终止同一进程中的另一个线程
  • 线程可以调用 pthread_exit 终止自己

3. 线程属性

• 之前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。如果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

• 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

3.1 线程属性初始化

• 应先初始化线程属性，再 pthread_create 创建线程

  #include 
  
  // 返回值 成功返回 0，失败返回对应的错误号
  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
  // Compile and link with -pthread.
  

3.2 线程的分离状态

• 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

  #include 
  
  // 返回值 成功返回 0，失败返回对应的错误号
  int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);        // 设置线程属性
  int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate); // 获取线程属性
  // Compile and link with -pthread.
  

  • attr
    • 已初始化的线程属性
  • detachstate
    • PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
    • PTHREAD_CREATE_JOINABLE（非分离线程）

3.3 线程属性控制示例

#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);
    }

    ret = pthread_join(tid, NULL);
    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);
}

$ gcc pthread_attr.c -o pthread_attr -pthread
$ ./pthread_attr 
pthread_join error:Invalid argument

3.4 线程使用注意事项

• 主线程退出其他线程不退出，主线程应调用 pthread_exit
• 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
• malloc 和 mmap 申请的内存可以被其他线程释放
• 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
• 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