Linux之多线程

Linux线程概念

什么是线程

• 在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）。更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序列”；
• 一切进程至少都有一个执行线程；
• 线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行；
• 在Linux系统中，在CPU眼中，看到的PCB都要比传统的进程更加轻量化；
• 透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流。

我们学习进程的时候明白了进程的创建伴随着进程控制块(task_struct)，进程地址空间(mm_struct)，页表的创建，然后进程地址空间和物理地址空间通过页表的映射建立联系：

每个进程都有自己独立的进程地址空间和独立的页表，也就意味着所有进程在运行时本身就具有独立性。

如果我们在创建“进程”时，只创建task_struct，并要求创建出来的task_struct和父task_struct共享进程地址空间和页表，那么创建的结果就是下面这样的：

如上图所示：

• 此时每一个task_struct就代表一个线程，上面我们就创建了4个线程，每一个检查都是当前进程里的一个执行流，也就是说“线程是进程内部执行的一个分支”；
• 同时我们也可以看出，线程是在进程内部执行的，本质是在进程地址空间内运行的，也就是说这个进程申请的所有资源，几乎都是被所有线程共享的。

重新理解之前的进程

我们之前站在用户的角度，进程就是内核数据结构 + 该进程的代码和数据。

如今，我们就可以站在内核的角度来重新认识一下进程：承担分配系统资源的基本实体，叫做进程。

换言之，当我们创建进程时是创建一个task_struct、创建地址空间、维护页表，然后在物理内存当中开辟空间、构建映射，打开进程默认打开的相关文件、注册信号对应的处理方案等等。

我们之前接触到的进程都只有一个task_struct，也就是该进程内部只有一个执行流，即单执行流进程，反之，内部有多个执行流的进程叫做多执行流进程。

在Linux中，站在CPU的角度，能否识别当前调度的task_struct是进程还是线程？

肯定是不能而且也不需要，因为CPU只关心一个一个的独立执行流。无论进程内部只有一个执行流还是有多个执行流，CPU都是以task_struct为单位进行调度的。

单执行流被调度：

多执行流被调度：

Linux下并不存在真正的多线程！而是用进程模拟的！

操作系统中存在大量的进程，一个进程内又存在一个或多个线程，因此线程的数量一定比进程的数量多，当线程的数量足够多的时候，很明显线程的执行粒度要比进程更细。

如果一款操作系统要支持真的线程，那么就需要对这些线程进行管理。比如说创建线程、终止线程、调度线程、切换线程、给线程分配资源、释放资源以及回收资源等等，所有的这一套相比较进程都需要另起炉灶，搭建一套与进程平行的线程管理模块。

因此，如果要支持真的线程一定会提高设计操作系统的复杂程度。在Linux看来，描述线程的控制块和描述进程的控制块是类似的，因此Linux并没有重新为线程设计数据结构，而是直接复用了进程控制块，所以我们说Linux中的所有执行流都叫做轻量级进程。

但也有支持真的线程的操作系统，比如Windows操作系统，因此Windows操作系统系统的实现逻辑一定比Linux操作系统的实现逻辑要复杂得多。

既然在Linux没有真正意义的线程，那么也就绝对没有真正意义上的线程相关的系统调用！

既然在Linux中都没有真正意义上的线程了，那么自然也没有真正意义上的线程相关的系统调用了。但是Linux可以提供创建轻量级进程的接口，也就是创建进程，共享空间，其中最典型的代表就是vfork函数。

vfork函数的功能就是创建子进程，但是父子共享空间，v函数fork的函数原型如下：

pid_t vfork(void);

vfork函数的返回值与fork函数的返回值相同：

• 给父进程返回子进程的PID。
• 给子进程返回0。

只不过vfork函数创建出来的子进程与其父进程共享地址空间，例如在下面的代码中，父进程使用vfork函数创建子进程，子进程将全局变量g_val由100改为了200，父进程休眠1秒后再读取到全局变量g_val的值。

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    int g_val = 100;

    pid_t id = vfork();
    if(id == 0)
    {
        g_val = 200;
        cout << "child pid: " << getpid() << "  child ppid: " << getppid() << "  g_val:" << g_val << endl;
        exit(0);
    }

    sleep(1);
    cout << "father pid: " << getpid() << "  father ppid: " << getppid() << "  g_val:" << g_val << endl;
    return 0;
}

可以看到，父进程读取到g_val的值是子进程修改后的值，也就证明了vfork创建的子进程与其父进程是共享地址空间的。

原生线程库pthread

在Linux中，站在内核角度没有真正意义上线程相关的接口，但是站在用户角度，当用户想创建一个线程时更期望使用thread_create这样类似的接口，而不是vfork函数，因此系统为用户层提供了原生线程库pthread。

原生线程库实际就是对轻量级进程的系统调用进行了封装，在用户层模拟实现了一套线程相关的接口。

因此对于我们来讲，在Linux下学习线程实际上就是学习在用户层模拟实现的这一套接口，而并非操作系统的接口。

二级页表

我们以32位平台为例，在32位平台下就有2^ 32个地址，就意味着有2^32个地址需要被映射，而我们所谓的页表就需要建立232个虚拟地址和物理地址之间的映射关系。

每一个表项中除了要有虚拟地址和与其映射的物理地址以外，实际还需要有一些权限相关的信息，比如我们所说的用户级页表和内核级页表，实际就是通过权限进行区分的。

每个应表项中存储一个物理地址和一个虚拟地址就需要8个字节，考虑到还需要包含权限相关的各种信息，这里每一个表项就按10个字节计算，这里一共有2^ 32表项，就需要2^ 32*10个字节的空间，也就是40GB的空间，很明显是无法存储下这样的一张页表的。

所以，也就有了二级页表的概念：

1. 选择虚拟地址的前10个比特位在页目录当中进行查找，找到对应的页表。
2. 再选择虚拟地址的10个比特位在对应的页表当中进行查找，找到物理内存中对应页框的起始地址。
3. 最后将虚拟地址中剩下的12个比特位作为偏移量从对应页框的起始地址处向后进行偏移，找到物理内存中某一个对应的字节数据。

每一个表项还是按10字节计算，页目录和页表的表项都是2^ 10个，因此一个表的大小就是2^ 10 * 10个字节，也就是10KB。而页目录有2^ 10个表项也就意味着页表有2^ 10个，也就是说一级页表有1张，二级页表有2^10张，总共算下来大概就是10MB，内存消耗并不高，因此Linux中实际就是这样映射的。

上面所说的所有映射过程，都是由MMU（MemoryManagementUnit）这个硬件完成的，该硬件是集成在CPU内的。页表是一种软件映射，MMU是一种硬件映射，所以计算机进行虚拟地址到物理地址的转化采用的是软硬件结合的方式。

注意： 在Linux中，32位平台下用的是二级页表，而64位平台下用的是多级页表。

修改常量字符串为什么会触发段错误？

当我们要修改一个字符串常量时，虚拟地址必须经过页表映射找到对应的物理内存，而在查表过程中发现其权限是只读的，此时你要对其进行修改就会在MMU内部触发硬件错误，操作系统在识别到是哪一个进程导致的之后，就会给该进程发送信号对其进行终止。

线程的优点

• 创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多；
• 与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多；
• 线程占用的资源要比进程少很多；
• 能充分利用多处理器的可并行数量；
• 在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务；
• 计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现；
• I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

概念说明：
计算密集型：执行流的大部分任务，主要以计算为主。比如加密解密、大数据查找等。
IO密集型：执行流的大部分任务，主要以IO为主。比如刷磁盘、访问数据库、访问网络等。

线程缺点

• 性能损失

一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。

• 健壮性降低

编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。

• 缺乏访问控制

进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。

• 编程难度提高比特科技

编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多。

线程异常

• 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃；
• 线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出。

线程用途

• 合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率。
• 合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）。

Linux进程VS线程

进程和线程

进程是承担分配系统资源的基本实体，线程是调度的基本单位。

线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据：

• 线程ID。
• 一组寄存器。（存储每个线程的上下文信息）
• 栈。（每个线程都有临时的数据，需要压栈出栈）
• errno。（C语言提供的全局变量，每个线程都有自己的）
• 信号屏蔽字。
• 调度优先级。

进程的多个线程共享

因为是在同一个地址空间，因此所谓的代码段（Text Segment）、数据段（Data Segment）都是共享的：

• 如果定义一个函数，在各线程中都可以调用。
• 如果定义一个全局变量，在各线程中都可以访问到。

除此之外，各线程还共享以下进程资源和环境：

• 文件描述符表。（进程打开一个文件后，其他线程也能够看到）
• 每种信号的处理方式。（SIG_IGN、SIG_DFL或者自定义的信号处理函数）
• 当前工作目录。（cwd）
• 用户ID和组ID。

进程和线程的关系如下图：

Linux线程控制

POSIX线程库

pthread线程库是应用层的原生线程库：

• 应用层指的是这个线程库并不是系统接口直接提供的，而是由第三方帮我们提供的。
• 原生指的是大部分Linux系统都会默认带上该线程库。
• 与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以“pthread_”打头的。
• 要使用这些函数库，要通过引入头文件。
• 链接这些线程函数库时，要使用编译器命令的“-lpthread”选项。

错误检查：

• 传统的一些函数是，成功返回0，失败返回-1，并且对全局变量errno赋值以指示错误。
• pthreads函数出错时不会设置全局变量errno（而大部分POSIX函数会这样做），而是将错误代码通过返回值返回。
• pthreads同样也提供了线程内的errno变量，以支持其他使用errno的代码。对于pthreads函数的错误，建议通过返回值来判定，因为读取返回值要比读取线程内的errno变量的开销更小。

创建线程

创建线程的函数叫做pthread_create，pthread_create函数原型如下：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

参数：

• thread:返回线程ID
• attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性
• start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数
• arg:传给线程启动函数的参数

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const char *name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << "I am " << name << endl;
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread 1");
    while (true)
    {
        cout << "I am main process...." << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

运行程序，我们可以看见主线程每隔3秒打印一次，新线程每隔1秒打印一次：

此时通过ps | axj命令查看，虽然此时该进程中有两个线程，但是我们看到的进程只有一个，因为这两个线程都是属于同一个进程的。

使用ps -aL命令，可以显示当前的轻量级进程。

其中，LWP（Light Weight Process）就是轻量级进程的ID，可以看到显示的两个轻量级进程的PID是相同的，因为它们属于同一个进程。

注意： 在Linux中，应用层的线程与内核的LWP是一一对应的，实际上操作系统调度的时候采用的是LWP，而并非PID，只不过我们之前接触到的都是单线程进程，其PID和LWP是相等的，所以对于单线程进程来说，调度时采用PID和LWP是一样的。

为了进一步证明这两个线程是属于同一个进程的，我们可以让主线程和新线程在执行打印操作时，将自己的PID和PPID也进行打印。

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const char *name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << "I am " << name << " pid:" << getpid() << "  ppid:" << getppid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread 1");
    while (true)
    {
        cout << "I am main process...." << "  pid:" << getpid() << "  ppid:" << getppid() << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

运行代码，我们会发现主线程和新线程的PID和PPID是一样的，也就是说主线程和新线程虽然是两个执行流，但它们仍然属于同一个进程。

下面我们创建一批新线程，并让创建的每一个新线程都去执行threadRun函数，也就是说threadRun函数会被重复进入，即该函数是会被重入的。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string& name)
{
    cout << name << "  pid:" << getpid() << endl;
}

void* threadRun(void* args)
{
    const string name = (char*)args;
    while(true)
    {
        show(name);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void*)name);
        sleep(1);
    }

    while(true)
    {
        cout << "main thread pid:" << getpid() << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

运行代码，我们会看见5个线程创建成功，因为它们属于同一个进程，所以它们的pid相同：

此时我们再用ps -aL命令查看，就会看到六个轻量级进程：

获取线程ID

常见获取线程ID的方式有两种：

• 创建线程时通过输出型参数获得。
• 通过调用pthread_self函数获得。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string& name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void* threadRun(void* args)
{
    const string name = (char*)args;
    while(true)
    {
        show(name);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void*)name);
        sleep(1);
        printf("%s tid is: %lu\n", name, tid[i]);
    }

    while(true)
    {
        cout << "main thread tid:" << pthread_self() << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

运行代码，可以看到这两种方式获取到的线程的ID是一样的。

注意： 用pthread_self函数获得的线程ID与内核的LWP的值是不相等的，pthread_self函数获得的是用户级原生线程库的线程ID，而LWP是内核的轻量级进程ID，它们之间是一对一的关系。

线程等待

一个线程被创建出来，这个线程就如同进程一般，也是需要被等待的。如果主线程不对新线程进行等待，那么这个新线程的资源也是不会被回收的。所以线程需要被等待，如果不等待会产生类似于“僵尸进程”的问题，也就是内存泄漏。

等待线程的函数叫做pthread_join，pthread_join函数的函数原型如下：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• thread：被等待线程的ID。
• retval：线程退出时的退出码信息。

线程等待成功返回0，失败返回错误码。

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。

• 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。

我们可以发现PTHREAD_CANCELED实际上就是头文件里面的一个宏定义，它的值本质就是-1。

下面直接将pthread_join函数的第二次参数设置为NULL，等待线程后打印该线程的编号以及线程ID。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    int count = 0;
    while (true)
    {
        while (count++ < 5)
        {
            show(name);
            sleep(3);
        }

        return nullptr;
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(2);
    }

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_join(tid[i], nullptr);
        printf("thread %d[%lu]...quit\n", i, tid[i]);
    }
    return 0;
}

运行代码会发现，可以看到主线程创建的五个新线程在进行五次打印操作后就退出了，而主线程也是成功对这五个线程进行了等待。

我们再来看看如何获取线程退出时的退出码，为了便于查看，我们这里将线程退出时的退出码设置为某个特殊的值，并在成功等待线程后将该线程的退出码进行输出。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    int count = 0;
    while (true)
    {
        while (count++ < 5)
        {
            show(name);
            sleep(3);
        }

        return (void *)2023;
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(2);
    }

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret = nullptr;
        pthread_join(tid[i], &ret);
        printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
    }
    return 0;
}

运行代码，此时我们就拿到了每个线程退出时的退出码信息。

注意： pthread_join函数默认是以阻塞的方式进行线程等待的。

为什么线程退出时只能拿到线程的退出码？

如果我们等待的是一个进程，那么当这个进程退出时，我们可以通过wait函数或是waitpid函数的输出型参数status，获取到退出进程的退出码、退出信号以及core dump标志。

那为什么等待线程时我们只能拿到退出线程的退出码？难道线程不会出现异常吗？

线程在运行过程中当然也会出现异常，线程和进程一样，线程退出的情况也有三种：

• 代码运行完毕，结果正确。
• 代码运行完毕，结果不正确。
• 代码异常终止。

因此我们也需要考虑线程异常终止的情况，但是pthread_join函数无法获取到线程异常退出时的信息。因为线程是进程内的一个执行分支，如果进程中的某个线程崩溃了，那么整个进程也会因此而崩溃，此时我们根本没办法执行pthread_join函数，因为整个进程已经退出了。

我们以除0错误为例：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    int count = 0;
    while (true)
    {
        while (count++ < 5)
        {
            show(name);
            sleep(3);
            int a = 100;
            a /= 0;
        }

        return (void *)2023;
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(2);
    }

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret = nullptr;
        pthread_join(tid[i], &ret);
        printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
    }
    return 0;
}

运行代码，可以看到一旦某个线程崩溃了，整个进程也就跟着挂掉了，此时主线程连等待新线程的机会都没有，这也说明了多线程的健壮性不太强，一个进程中只要有一个线程挂掉了，那么整个进程就挂掉了。并且此时我们也不知道是由于哪一个线程崩溃导致的，我们只知道是这个进程崩溃了，所以pthread_join函数只能获取到线程正常退出时的退出码，用于判断线程的运行结果是否正确。

线程终止

如果需要只终止某个线程而不是终止整个进程，可以有三种方法：

• 从线程函数return。
• 线程可以自己调用pthread_exit函数终止自己。
• 一个线程可以调用pthread_cancel函数终止同一进程中的另一个线程。

return

我们看下面这段代码：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        show(name);
        sleep(1);

        return (void *)2023;
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(1);
    }

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret = nullptr;
        pthread_join(tid[i], &ret);
        printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
    }
    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  quit...." << endl;
    return 0;
}

运行代码，会发现，每个线程一旦创建成功，就会给主进程返回信息，该线程就被回收，直到5个线程均被创建成功，此时主进程退出。

pthread_exit函数

pthread_exit函数的功能就是终止线程，pthread_exit函数的函数原型如下：

void pthread_exit(void *retval);

参数说明：

• retval：线程退出时的退出码信息。

说明一下：

• 该函数无返回值，跟进程一样，线程结束的时候无法返回它的调用者（自身）。
• 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，因为当其他线程得到这个返回指针时，线程函数已经退出了。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;

    int count = 0;
    while (true)
    {
        show(name);
        sleep(1);
        if(count++ > 2)
            break;
    }
    pthread_exit((void*)666);
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(1);
    }

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret = nullptr;
        pthread_join(tid[i], &ret);
        printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
    }
    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  quit...." << endl;
    return 0;
}

运行代码可以看到，当线程退出时其退出码就是我们设置的666。

注意： exit函数的作用是终止进程，任何一个线程调用exit函数也代表的是整个进程终止。

pthread_cancel函数

线程是可以被取消的，我们可以使用pthread_cancel函数取消某一个线程，pthread_cancel函数的函数原型如下：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数说明：

• thread：被取消线程的ID。

返回值说明：

• 线程取消成功返回0，失败返回错误码。

在下面的代码中，我们让线程执行一次打印操作后将自己取消：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;

    int count = 0;
    while (true)
    {
        if (count++ < 5)
        {
            show(name);
            sleep(1);
            pthread_cancel(pthread_self());
        }
        break;
    }
    pthread_exit((void *)666);
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(1);
    }

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret = nullptr;
        pthread_join(tid[i], &ret);
        printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
    }
    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  quit...." << endl;
    return 0;
}

运行代码，可以看到每个线程执行一次打印操作后就退出了，其退出码就是我们设置的666，因为我们是在线程执行pthread_exit函数前将线程取消的。

虽然线程可以自己取消自己，但一般不这样做，我们往往是用于一个线程取消另一个线程，比如主线程取消新线程。

在下面代码中，我们在创建五个线程后立刻又将0、1、2、3号线程取消。

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void show(const string &name)
{
    cout << name << "  tid:" << pthread_self() << endl;
}

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;

    int count = 0;
    while (count++ < 5)
    {
        show(name);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit((void *)666);
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(1);
    }

    pthread_cancel(tid[0]);
    pthread_cancel(tid[1]);
    pthread_cancel(tid[2]);
    pthread_cancel(tid[3]);

    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  runing...." << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret = nullptr;
        pthread_join(tid[i], &ret);
        printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
    }
    cout << "main thread tid:" << pthread_self() << "  quit...." << endl;
    return 0;
}

此时可以发现，0、1、2、3号线程退出时的退出码不是我们设置的6666，而只有未被取消的4号线程的退出码是6666，因为只有4号进程未被取消。

此外，新线程也是可以取消主线程的。

分离线程

• 默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成内存泄漏。
• 但如果我们不关心线程的返回值，join也是一种负担，此时我们可以将该线程进行分离，后续当线程退出时就会自动释放线程资源。
• 一个线程如果被分离了，这个线程依旧要使用该进程的资源，依旧在该进程内运行，甚至这个线程崩溃了一定会影响其他线程，只不过这个线程退出时不再需要主线程去join了，当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。
• 可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离。
• joinable和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的。

分离线程的函数：pthread_detach

参数说明：

• thread：被分离线程的ID。

返回值说明：

• 线程分离成功返回0，失败返回错误码。

下面我们创建五个新线程后让这五个新线程将自己进行分离，那么此后主线程就不需要在对这五个新线程进行join了：

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void show(const string& name)
{
    cout << "new" << name << " tid: " << pthread_self() << endl;
}
void* threadRun(void* args)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    
    const string name = (char*)args;
    int count = 0;
    while(count++ < 5)
    {
        show(name);
        sleep(1);
    }

    pthread_exit((void*)13);
}
int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid+i, nullptr, threadRun, (void*)name);
        sleep(1);
    }

    while(true)
    {
        cout << "main thread runing.... tid:" << pthread_self() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这五个新线程在退出时，系统会自动回收对应线程的资源，不需要主线程进行join。

线程ID及进程地址空间布局

• pthread_ create函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中。该线程ID和前面说的LWP不是一回事。
• 前面讲的LWP属于进程调度的范畴。因为线程是轻量级进程，是操作系统调度器的最小单位，所以需要一个数值来唯一表示该线程。
• pthread_create函数第一个参数指向一个虚拟内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID，属于NPTL线程库的范畴。线程库的后续操作，就是根据该线程ID来操作线程的。
• 线程库NPTL提供了pthread_ self函数，可以获得线程自身的ID；

pthread_t到底是什么类型呢？

首先，Linux不提供真正的线程，只提供LWP，也就意味着操作系统只需要对内核执行流LWP进行管理，而供用户使用的线程接口等其他数据，应该由线程库自己来管理，因此管理线程时的“先描述，再组织”就应该在线程库里进行。

通过ldd命令可以看到，我们采用的线程库实际上是一个动态库。

进程运行时动态库被加载到内存，然后通过页表映射到进程地址空间中的共享区，此时该进程内的所有线程都是能看到这个动态库的。

我们说每个线程都有自己私有的栈，其中主线程采用的栈是进程地址空间中原生的栈，而其余线程采用的栈就是在共享区中开辟的。除此之外，每个线程都有自己的struct pthread，当中包含了对应线程的各种属性；每个线程还有自己的线程局部存储，当中包含了对应线程被切换时的上下文数据。

每一个新线程在共享区都有这样一块区域对其进行描述，因此我们要找到一个用户级线程只需要找到该线程内存块的起始地址，然后就可以获取到该线程的各种信息。

上面我们所用的各种线程函数，本质都是在库内部对线程属性进行的各种操作，最后将要执行的代码交给对应的内核级LWP去执行就行了，也就是说线程数据的管理本质是在共享区的。

pthread_t到底是什么类型取决于实现，但是对于Linux目前实现的NPTL线程库来说，线程ID本质就是进程地址空间共享区上的一个虚拟地址，同一个进程中所有的虚拟地址都是不同的，因此可以用它来唯一区分每一个线程。

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void show(const string& name)
{
    printf("new thread tid:%p\n", pthread_self());
}
void* threadRun(void* args)
{
    const string& name = (char*)args;
    while(true)
    {
        show(name);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit((void*)13);
}
int main()
{
    pthread_t tid;

    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");
    while(true)
    {
        printf("main thread tid:%p\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们打印出来，发现他就是一个地址：