Linux系统编程系列之线程属性

一、什么是线程属性

        线程属性就是线程的属性，是一个用于控制线程行为和功能的参数集合。它可以影响线程的优先级、调度、同步行为和资源管理等方面。线程有许多属性，如分离属性，继承策略，调度策略等。看图

二、线程属性的特性

        1、线程优先级

        通过设置线程属性，可以控制线程在调度时的优先级。不同的操作系统和语言环境中，线程优先级的范围和具体实现可能会有所不同。

        2、线程调度

        线程属性可以控制线程的调度行为，包括线程调度算法和调度器设置。

        3、同步行为

        线程属性可以控制线程在同步时的行为。例如，可以设置线程的互斥锁或信号量的行为、线程的等待时限等。

        4、资源管理

        线程属性可以控制线程在使用资源时的行为。例如，可以设置线程对内存、网络或文件等资源的访问权限，以及资源使用超限时的响应行为。

        5、线程安全性

        线程属性可以控制线程的安全性，例如，可以设置线程的栈大小、异常处理行为，以及是否允许多个线程同时访问共享资源等。

        总之，线程属性可以为程序员提供对线程行为的细粒度控制，并帮助提高程序执行效率和稳定性。

三、线程属性的使用步骤

        由于线程属性众多，因此需要的时候不直接设置，而是先将它们置入一个统一的属性变量中，然后再以此创建线程。属性变量是一种内置数据类型，需要使用专门的函数接口进行初始化和销毁。

        1、定义且初始化属性变量 attr

        2、将所需的属性，加入 attr 中

        3、使用 attr 启动线程

        4、销毁 attr

四、重点介绍

        1、分离属性

        默认情况下，线程启动后处于可接合状态（即未分离），此时的线程可以在退出时让其他线程接合以便释放资源，但若其他线程未及时调用pthread_join()去结合它，它将成为僵尸线程，浪费系统资源。

        因此，若线程退出时无需汇报其退出值，则一般要设置为分离状态，处于分离状态下的线程在退出之后，会自动释放其占用的系统资源。有以下两种方式可以将线程设置为分离状态：

        （1）、在线程启动前，使用分离属性启动线程

        （2）、在线程启动后，使用 pthread_detach() 强制分离

        2、线程的调度策略

        静态优先级

        在Linux中，所有的任务（进程、线程在内核统称为任务，task）被分成两类静态优先级：

        （1）普通任务（静态优先级是0【动态调度策略】）

        （2）系统任务（静态优先级是1-99）

        静态优先级越大，优先级权限也越大（跟FreeRTOS的一样），普通任务是0，意味着会被任意系统任务抢占。静态优先级之所以被称为静态，是因为这种优先级一旦被设定就不能再改变，是任务本身的属性。

        调度策略有以下几种

        1、SCHED_FIFD 以先进先出的排队方式调度

        2、SCHED_RR 以轮转的方式调度

        3、SCHED_OTHER 非实时调度的普通线程（默认）

       （1）、 SCHED_FIFD

        当线程的调度策略为SCHED_FIFD时，其静态优先级必须设置为1-99，这将意味着一旦这种线程处于就绪态时，他能立即抢占任何静态优先级为0的普通线程。采用 SCHED_FIFD 调度策略的线程还遵循以下规则：

        【1】、当它处于就绪态时，就会被放入其所在优先级队列的队尾位置。

        【2】、当被更高优先级的线程抢占后，它会被放入其所在优先级队列的队头位置，当所有优先级比它高的线程不再运行后，它就恢复运行。

        【3】、当它调用 sched_yield()后，它会被放入其所在优先级队列的队尾的位置。

        总的来讲，一个具有 SCHED_FIFD 调度策略的线程会一直运行直到发送I/O请求，或者被更高优先级线程抢占，或者调用 sched_yield(）主动让出CPU。

       （2）、 SCHED_RR

        当线程的调度策略为SCHED_RR时，其情况跟SCHED_FIFD是大致一样的，有一点区别：每一个SCHED_RR策略下的线程都将会被分配一个额度的时间片，当时间耗光时，它会被放入其所在优先级队列的队尾的位置。可以用 sched_rr_get_interval()来获得时间片的具体数值。

        （3）、SCHED_OTHER

        当线程的调度策略为SCHED_OTHER时，其静态优先级(static priority)必须设置为0。该调度策略是Linux系统调度的默认策略，处于0优先级别的这些线程按照所谓的动态优先级被调度，而动态优先级起始于线程的nice值，且每当一个线程已处于就绪态但被调度器调度无视时，其动态优先级会自动增加一个单位，这样能保证这些线程竞争CPU的公平性。

        动态优先级

        线程的动态优先级是非实时的普通线程独有的概念（静态优先级设置为0），它会随着线程的运行，根据线程的表现而发生改变。动态优先级数值越大，优先级越低。

        CPU消耗型线程：比如视频解码算法，这类线程只要一运行就黏住CPU不放，这样的线程的动态优先级会被慢慢地降级，这符合我们的预期，因为这类线程不需要很高的响应速度，只要保证有一定的执行时间片。

        IO消耗型线程：比如编辑器，这类线程绝大部分的时间都在睡眠，调度器发现每次调度它它都选择放弃，将CPU让给其他线程，因此会慢慢地提高它的动态优先级（nice--），这样使得这里线程在同等非实时普通线程中，有越来越高的响应速度，表现出更好的交互性能。

五、相关函数API接口

        1、初始化线程属性变量

// 初始化线程属性变量
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);

// 接口说明
    返回值：成功返回0，失败返回非零错误码
    参数attr：要初始化的线程属性变量

        2、销毁线程属性变量

// 销毁线程属性变量
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

// 接口说明
    返回值：成功返回0，失败返回非零错误码
    参数attr：要销毁的线程属性变量

        3、设置线程分离属性

// 设置线程分离属性
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);

// 接口说明
        返回值：成功返回0，失败返回错误码
        参数attr：线程属性变量
        参数detachstate：设置为分离属性还是接合属性，有以下两种：
            （1）、PTHREAD_CREATE_DETACHED，分离属性
            （2）、PTHREAD_CREATE_JOINABLE，接合属性

        4、设置线程静态优先级

// 设置线程静态优先级
int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr,
                               const struct sched_param *param);

// 接口说明
    返回值：成功返回0，失败返回错误码
    参数attr：线程属性变量
    参数param：要设置的静态优先级（0到99）

        5、 获取线程静态优先级

// 获取线程静态优先级
int pthread_attr_getschedparam(pthread_attr_t *attr,
                               struct sched_param *param);

// 接口说明
    返回值：成功返回0，失败返回错误码
    参数attr：线程属性变量
    参数param：存放获取的静态优先级

        6、设置线程动态优先级

// 设置线程动态优先级
int nice(int inc);

// 接口说明
    返回值：成功返回新的动态优先级，失败返回-1
    参数inc：动态优先级（-20到19）

六、案例

        使用线程实现数据发送和接收，设置线程属性为分离属性

// 线程的案例

#include 
#include 
#include 
#include 

int flag = 0;   // 简单的标志位来控制同步
char data[100];

// 线程1的例程函数，用来接收数据
void *recv_routine(void *arg)
{
    printf("I am recv_routine, my tid = %ld\n", pthread_self());

    // 设置线程分离 
    pthread_detach(pthread_self()); 

    while(1)
    {
        if(flag)
        {
            printf("pthread1 read data: %s\n", data);
            memset(data, 0, sizeof(data));
            flag = 0;
        }
    }
}

// 线程2的例程函数，用来发送数据
void *send_routine(void *arg)
{
    printf("I am send_routine, my tid = %ld\n", pthread_self());

    while(1)
    {
        printf("please input data:\n");
        fgets(data, 100, stdin);
        printf("pthread2 send data\n");
        flag = 1;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2;

    // 创建线程1，用来接收数据
    errno = pthread_create(&tid1, NULL, recv_routine, NULL);
    if(errno == 0)
    {
        printf("pthread create recv_routine success, tid = %ld\n", tid1);
    }
    else
    {
        perror("pthread create recv_routine fail\n");
    }

    // 1、定义线程属性变量
    pthread_attr_t attr2;

    // 2、初始化线程属性变量
    pthread_attr_init(&attr2);

    // 3、设置分离属性
    pthread_attr_setdetachstate(&attr2, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    // 4、创建线程2，用来发送数据，线程拥有分离属性
    errno = pthread_create(&tid2, &attr2, send_routine, NULL);
    if(errno == 0)
    {
        printf("pthread create send_routine success, tid = %ld\n", tid2);
    }
    else
    {
        perror("pthread create send_routine fail\n");
    }

    // 5、销毁属性变量
    pthread_attr_destroy(&attr2);

    // 一定要加这个，否则主函数直接退出，相当于进程退出，所有线程也退出
    // 或者加上while(1)等让主函数不退出
    pthread_exit(0);
    
    return 0;
}

七、总结

        线程属性众多，一般建议把线程设置为分离属性，这样可以在线程退出后，及时释放系统资源，同时也可以根据不同的场景来设置线程的优先级。设置线程的属性需要遵循一定的步骤。