操作系统---线程管理

一、线程介绍

什么是线程：

线程是操作系统能内够进行运算、执行的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

总结：线程是进程的一部分，是进程内负责执行的单位，进程是由资源单位（内存资源、信号处理方案、文件表）+执行单位组成，默认情况下进程内只有一个线程，但可以有多个。

线程的发展简史：

60年代，在操作系统中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程。

随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端：

一是由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时间开销，因此需要引入轻型进程；

二是由于对称多处理机出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。

因此在80年代，出现了能独立运行的基本单位——线程（Threads）。

线程的调度策略：

线程是独立调度和分派的基本单位，有三种不同的调试策略：

1、线程可以为操作系统内核调度的内核线程，如Win32线程；

2、由用户进行自行调度的用户线程，如Linux、UNIX平台的POSIX Thread；

3、由内核与用户进程进行混合调度，如Windows 7的线程。

多线程适用的范围：

一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。 ​ 在多核或多CPU，或支持Hyper-threading的CPU上使用多线程程序设计的好处是显而易见，即提高了程序的执行吞吐率。

在单CPU单核的计算机上，使用多线程技术，可以把进程中负责I/O处理、人机交互而常被阻塞的部分与密集计算的部分分开来执行，原因就是线程占用的资源少，被阻塞时不浪费资源。

线程的特点：

轻型实体：

线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。线程的实体包括用于指示被执行指令序列的程序计数器、局部变量、状态参数和返回地址。

线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述，包括以下信息：

1、线程状态

2、当线程不运行时，被保存的现场资源。

3、一组执行堆栈

4、存放每个线程的局部变量主存区

5、访问同一个进程中的主存和其它资源

独立调度和分派的基本单位：

在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。

可并发执行：

在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了CPU与外围设备并行工作的能力。

共享进程资源：

在同一进程中的各个线程，都可以访问该进程的用户空间，此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量等，线程可以共享该进程所拥有的资源。所以线程之间互相通信不必调用内核。

二、线程与进程的区别（多进程与多线程）

资源：

进程采用虚拟空间+用户态/内核态机制，所以就导致进程与进程之间是互相独立的，各自的资源不可见。

在同一进程中的各个线程都可以共享该进程所拥有的资源。

多进程之间资源是独立的，多线程之间资源是共享的。

通信：

由于进程之间是互相独立的，需要使用各种IPC通信机制，保障多个进程协同工作。

同一进程中的各个线程共享该进程所拥有的资源，线程间可以直接读写进程数据段来进行通信，但需要线程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。

多进程之间资源是独立的，所以需要通信，多线程之间资源是共享的，所以需要同步和互斥。

调度：

无论系统采用什么样的线程调试策略，线程上下文切换都比进程上下文切换要快得多。

身份：

进程是个资源单位，线程是个执行单位，并且线程是进程的一部分，线程需要进程安身立命，进程也需要线程当牛做马。

三、POSIX线程库

POSIX线程库介绍：

POSIX线程（POSIX Threads，常被缩写为pthread）是POSIX的线程标准，定义了创建和操纵线程的一套API。 ​ 实现POSIX 线程标准的库常被称作pthread，一般用于Unix-likePOSIX 系统，如Linux、Solaris。但是Microsoft Windows上的实现也存在，例如直接使用Windows API实现的第三方库pthread-w32。

API具体内容：

pthread定义了一套C语言的类型、函数与常量，它以pthread.h头文件和一个接口库libpthread.so，gcc和g++编译器没有默认链接该库，需要程序员使用 -l pthread 参数进行手动链接。

pthread API中大致共有100个函数调用，全都以"pthread_"开头，并可以分为四类：

1、线程管理，如创建线程，等待线程，查询线程状态等。

2、互斥锁，有创建、摧毁、锁定、解锁、设置属性等操作

3、条件变量，有创建、摧毁、等待、通知、设置与查询属性等操作

4、使用了互斥锁的线程间的同步管理。

四、创建线程

int pthread_create (pthread_t* thread,
                    const pthread_attr_t* attr,
                    void* (*start_routine) (void*),
                    void* arg);
​
thread        - 线程ID，输出型参数。我们目前使用的Linux中pthread_t即unsigned long int
attr          - 线程属性，NULL表示缺省属性，如果没有特殊需求，一般写NULL即可
start_routine - 线程入口函数指针，参数和返回值的类型都是void*
                启动线程本质上就是调用一个函数，只不过是在一个独立的线程中调用的，函数返回即线程结束
arg           - 传递给线程过程函数的参数
返回值：成功返回0，失败返回错误码，但不会修改全局的错误变量，也就是无法使用perror获取错误原因。    
 
注意：
    1、restrict: C99引入的编译优化指示符，提高重复解引用同一个指针的效率。
    2、应设法保证在线程过程函数执行期间，其参数所指向的目标持久有效。

#include 
#include 
#include 
​
void* run(void* arg)
{
    for(;;)
    {
        printf("#");
        fflush(stdout);
        sleep(1);
    }
}
​
int main(int argc,const char* argv[])
{
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid,NULL,run,NULL);
    printf("%d %lu\n",ret,tid);
​
    for(;;)
    {
        printf("*");
        fflush(stdout);
        sleep(1);
    }
        
    return 0;
}

五、线程回收

int pthread_join (pthread_t thread, void** retval);
功能：等待thread参数所标识的线程结束，并回收相关资源，如果thread线程没有结束则阻塞
retval：获得线程正常结束时的返回值，是输出型的参数，用于获取线程入口函数的返回值。
返回值：成功返回0，失败返回错误码
    
从线程过程函数中返回值的方法：
    1、线程过程函数将所需返回的内容放在一块内存中，返回该内存块的首地址，保证这块内存在函数返回，即线程结束，以后依然有效；
    2、若retval参数非NULL，则pthread_join函数将线程入口函数所返回的指针，拷贝到该参数所指向的内存中；
    3、线程入口函数所返回的指针指向text、data、bss内存段的数据，如果指向heap内存段，则还需保证在用过该内存之后释放之。

六、获取线程ID、判断线程ID

pthread_t pthread_self (void);
成功返回调用线程的ID，不会失败。
​
int pthread_equal (pthread_t t1, pthread_t t2);
功能：若参数t1和t2所标识的线程ID相等，则返回非零，否则返回0。
​
注意：某些实现的pthread_t不是unsigned long int类型，可能是结构体类型，无法通过“==”判断其相等性。

七、终止线程

方法1：从线程入口函数中return，主线程除外。

方法2：调用pthread_exit函数。

void pthread_exit (void* retval);
retval - 和线程过程函数的返回值语义相同。

注意：在任何线程中调用exit函数都将终止整个进程。

问题：主线程结束，子线程是否会跟着一起结束？

主线程结束，并不会导致子线程跟着一起结束，它们之间没有必然联系。

但是，主线程如果执行到最后一行，会执行return 0或隐藏的return 0，而在main函数中执行return 0就相当于执行exit(0)，然后当前进程就会结束，有两种方法可以避免这种情况：

方法1：

等待所有子线程结束，主线程再执行return 0;

子线程在一定时间内会结束，侧使用pthread_join。

方法2：

立即结束主线程，不要让它执行return 0;

当子线程的结束时间不确定，则使用pthread_exit。

注意：这种情况会产生新的问题，子线程的资源没有办法回收。

#include 
#include 
#include 
​
void* run(void* arg)
{
    for(int i=0; ;i++)
    {
        printf("子线程：%lu %d\n",pthread_self(),i);
        sleep(1);
    }
}
​
int main(void)
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid,NULL,run,NULL);
​
    for(int i=0; i<3; i++)
    {
        printf("我是主线程，我要结束了,倒计时：%d\n",3-i);
        sleep(1);
    }
    
    exit
}

八、线程分离

同步方式(非分离状态)：创建线程之后主线程调用pthread_join函数等待其终止，并释放线程资源。

异步方式(分离状态)：无需创建者等待，线程终止后自行释放资源。

int pthread_detach (pthread_t thread);
功能：使thread参数所标识的线程进入分离(DETACHED)状态。
返回值：成功返回0，失败返回错误码。

注意：如果若干个子线程需要长时间执行，不知道什么时候能结束，为了避免它父线程陷入无尽的等待，可提前给子线程设置分离状态。

九、取消线程

向发送取消请求：

int pthread_cancel (pthread_t thread);
功能：该函数只是向线程发出取消请求，并不等待线程终止。
​
缺省情况下，线程在收到取消请求以后，并不会立即终止，而是仍继续运行，直到其达到某个取消点。
在取消点处，线程检查其自身是否已被取消了，并做出相应动作。

设置可取消状态：

int pthread_setcancelstate (int state,int* oldstate);
成功返回0，并通过oldstate参数输出原可取消状态(若非NULL)，失败返回错误码。
​
state取值：
   PTHREAD_CANCEL_ENABLE  - 接受取消请求(缺省)。
   PTHREAD_CANCEL_DISABLE - 忽略取消请求。

设置可取消类型：

int pthread_setcanceltype (int type, int* oldtype);
​
成功返回0，并通过oldtype参数输出原可取消类型
(若非NULL)，失败返回错误码。
​
type取值：
   PTHREAD_CANCEL_DEFERRED     - 延迟取消(缺省)。
      被取消线程在接收到取消请求之后并不立即响应，
       而是一直等到执行了特定的函数(取消点)之后再响应该请求。
   PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS - 异步取消。
      被取消线程可以在任意时间取消，不是非得遇到取消点才能被取消。
      但是操作系统并不能保证这一点。

十、线程属性

int pthread_create (pthread_t* restrict thread,
                    const pthread_attr_t* restrict attr,
                    void* (*start_routine) (void*),
                    void* restrict arg);
​
//创建线程函数的第二个参数即为线程属性，传空指针表示使用缺省属性。
typedef struct {
    // 分离状态
    int detachstate;
       // PTHREAD_CREATE_DETACHED - 分离线程。
       // PTHREAD_CREATE_JOINABLE(缺省) - 可汇合线程。
​
    // 竞争范围
    int scope;
       // PTHREAD_SCOPE_SYSTEM - 在系统范围内竞争资源（时间片）。
       // PTHREAD_SCOPE_PROCESS(Linux不支持) - 在进程范围内竞争资源。
    
​
    // 继承特性
    int inheritsched;
       // PTHREAD_INHERIT_SCHED(缺省) - 调度属性自创建者线程继承。
       // PTHREAD_EXPLICIT_SCHED - 调度属性由后面两个成员确定。
    
​
    // 调度策略
    nt schedpolicy;
        // SCHED_FIFO - 先进先出策略。
            // 没有时间片。
            // 一个FIFO线程会持续运行，直到阻塞或有高优先级线程就绪。
            // 当FIFO线程阻塞时，系统将其移出就绪队列，待其恢复时再加到同优先级就绪队列的末尾。
            // 当FIFO线程被高优先级线程抢占时，它在就绪队列中的位置不变。
            // 因此一旦高优先级线程终止或阻塞，被抢占的FIFO线程将会立即继续运行。
        // SCHED_RR - 轮转策略。
            // 给每个RR线程分配一个时间片，一但RR线程的时间片耗尽，系统即将移到就绪队列的末尾。
        // SCHED_OTHER(缺省) - 普通策略。
            // 静态优先级为0。任何就绪的FIFO线程或RR线程，都会抢占此类线程。    
​
    // 调度参数
    struct sched_param schedparam;
        // struct sched_param {
        //     int sched_priority; /* 静态优先级 */
        // };
    
​
    // 栈尾警戒区大小(字节)  缺省一页(4096字节)。
    size_t guardsize;
​
    // 栈地址
    void* stackaddr;
​
    // 栈大小(字节)
    size_t stacksize;
} pthread_attr_t;
​
注意：不要手动读写该结构体，而应调用pthread_attr_set/get函数设置/获取具体属性项。

设置线程属性：

初始化线程属性结构体：

pthread_attr_t attr = {}; // 不要使用这种方式
int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr);

设置具体线程属性项：

int pthread_attr_setdetachstate (pthread_attr_t* attr,int detachstate);
int pthread_attr_setscope (pthread_attr_t* attr,int scope);
int pthread_attr_setinheritsched (pthread_attr_t* attr,int inheritsched);
int pthread_attr_setschedpolicy (pthread_attr_t* attr,int policy);
int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t* attr,const struct sched_param* param);
int pthread_attr_setguardsize (pthread_attr_t* attr,size_t guardsize);
int pthread_attr_setstackaddr (pthread_attr_t* attr,void* stackaddr);
int pthread_attr_setstacksize (pthread_attr_t* attr,size_t stacksize);
int pthread_attr_setstack (pthread_attr_t* attr,void* stackaddr, size_t stacksize);

以设置好的线程属性结构体为参数创建线程：

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

销毁线程属性结构体：

int pthread_attr_destroy (pthread_attr_t* attr);

获取线程属性：

获取线程属性结构体：

int pthread_getattr_np (pthread_t thread,pthread_attr_t* attr);

获取具体线程属性项：

int pthread_attr_getdetachstate (pthread_attr_t* attr,int* detachstate);
int pthread_attr_getscope (pthread_attr_t* attr,int* scope);
int pthread_attr_getinheritsched (pthread_attr_t* attr,int* inheritsched);
int pthread_attr_getschedpolicy (pthread_attr_t* attr,int* policy);
int pthread_attr_getschedparam (pthread_attr_t* attr,struct sched_param* param);
int pthread_attr_getguardsize (pthread_attr_t* attr,size_t* guardsize);
int pthread_attr_getstackaddr (pthread_attr_t* attr,void** stackaddr);
int pthread_attr_getstacksize (pthread_attr_t* attr,size_t* stacksize);
int pthread_attr_getstack (pthread_attr_t* attr,void** stackaddr, size_t* stacksize);
以上所有函数成功返回0，失败返回错误码。

#include 
#include 
#include 
#include 
#define __USE_GNU
#include 
​
int printattrs (pthread_attr_t* attr) 
{
    printf("------- 线程属性 -------\n");
​
    int detachstate;
    int error = pthread_attr_getdetachstate (attr, &detachstate);
    if (error) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getdetachstate: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf("分离状态：  %s\n",
        (detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED) ? "分离线程" :
        (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ? "可汇合线程" :
        "未知");
​
    int scope;
    if ((error = pthread_attr_getscope (attr, &scope)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getscope: %s\n",
            strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("竞争范围：  %s\n",
        (scope == PTHREAD_SCOPE_SYSTEM)  ? "系统级竞争" :
        (scope == PTHREAD_SCOPE_PROCESS) ? "进程级竞争" : "未知");
​
    int inheritsched;
    if ((error = pthread_attr_getinheritsched (attr,
        &inheritsched)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getinheritsched: %s\n",
            strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("继承特性：  %s\n",
        (inheritsched == PTHREAD_INHERIT_SCHED)  ? "继承调用属性" :
        (inheritsched == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) ? "显式调用属性" :
        "未知");
​
    int schedpolicy;
    if ((error = pthread_attr_getschedpolicy(attr,&schedpolicy)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getschedpolicy: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("调度策略：  %s\n",
        (schedpolicy == SCHED_OTHER) ? "普通" :
        (schedpolicy == SCHED_FIFO)  ? "先进先出" :
        (schedpolicy == SCHED_RR)    ? "轮转" : "未知");
​
    struct sched_param schedparam;
    if ((error = pthread_attr_getschedparam (attr, &schedparam)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getschedparam: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("调度优先级：%d\n", schedparam.sched_priority);
​
    size_t guardsize;
    if ((error = pthread_attr_getguardsize(attr, &guardsize)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getguardsize: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("栈尾警戒区：%u字节\n", guardsize);
    /*
    void* stackaddr;
    if ((error = pthread_attr_getstackaddr (attr, &stackaddr)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getstackaddr: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("栈地址：    %p\n", stackaddr);
​
    size_t stacksize;
    if ((error = pthread_attr_getstacksize (attr, &stacksize)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getstacksize: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("栈大小：    %u字节\n", stacksize);
    */
    void* stackaddr;
    size_t stacksize;
    if ((error = pthread_attr_getstack (attr, &stackaddr,&stacksize)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_attr_getstack: %s\n",strerror (error));
        return -1;
    }
    printf ("栈地址：    %p\n", stackaddr);
    printf ("栈大小：    %u字节\n", stacksize);
​
    printf("------------------------\n");
​
    return 0;
}
​
void* thread_proc (void* arg) 
{
    pthread_attr_t attr;
    int error = pthread_getattr_np (pthread_self (), &attr);
    if (error) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_getattr_np: %s\n", strerror (error));
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
​
    if (printattrs (&attr) < 0)
        exit (EXIT_FAILURE);
​
    exit (EXIT_SUCCESS);
​
    return NULL;
}
​
int main (int argc, char* argv[]) 
{
    int error;
    pthread_attr_t attr, *pattr = NULL;
​
    if (argc > 1) 
    {
        if (strcmp (argv[1], "-s")) 
        {
            fprintf (stderr, "用法：%s [-s]\n", argv[0]);
            return -1;
        }
​
        if ((error = pthread_attr_init (&attr)) != 0) 
        {
            fprintf (stderr, "pthread_attr_init: %s\n",strerror (error));
            return -1;
        }
​
        if ((error = pthread_attr_setdetachstate (&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED)) != 0) 
        {
            fprintf (stderr, "pthread_attr_setdetachstate: %s\n",strerror (error));
            return -1;
        }
​
        if ((error = pthread_attr_setinheritsched (&attr,PTHREAD_EXPLICIT_SCHED)) != 0) 
        {
            fprintf (stderr, "pthread_attr_setinheritsched: %s\n",strerror (error));
            return -1;
        }
​
        if ((error = pthread_attr_setstacksize (&attr, 4096*10)) != 0) 
        {
            fprintf (stderr, "pthread_attr_setstack: %s\n",strerror (error));
            return -1;
        }
​
        pattr = &attr;
    }
​
    pthread_t tid;
    if ((error = pthread_create (&tid, pattr, thread_proc,NULL)) != 0) 
    {
        fprintf (stderr, "pthread_create: %s\n", strerror (error));
        return -1;
    }
​
    if (pattr)
    {
        if ((error = pthread_attr_destroy (pattr)) != 0) 
        {
            fprintf (stderr, "pthread_attr_destroy: %s\n",strerror (error));
            return -1;
        }
    }
​
    pause ();
    return 0;
}

注意：如果man手册查不到线程的相关函数，安装完整版gnu手册：sudo apt-get install glibc-doc。

练习：实现大文件的多线程cp拷贝，对比系统cp命令，哪个速度更快，为什么？

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
​
typedef struct Task
{
    char* src;
    char* dest;
    size_t start;
    size_t end;
}Task;
​
void* run(void* arg)
{
    Task* task = arg;
​
    // 打开源文件和目标文件
    FILE* src_fp = fopen(task->src,"r");
    FILE* dest_fp = fopen(task->dest,"a");
    if(NULL == src_fp || NULL == dest_fp)
    {
        perror("fopen");
        return NULL;
    }
​
    // 调整文件的位置指针
    fseek(src_fp,task->start,SEEK_SET);
    fseek(dest_fp,task->start,SEEK_SET);
​
    // 创建缓冲区
    char buf[1024];
    size_t buf_size = sizeof(buf);
​
    for(int i=task->start; iend; i+=buf_size)
    {
        int ret = fread(buf,1,buf_size,src_fp);
        if(0 >= ret)
            break;
        fwrite(buf,1,ret,dest_fp);
    }
​
    fclose(src_fp);
    fclose(dest_fp);
    free(task);
}
​
int main(int argc,const char* argv[])
{
    if(3 != argc)
    {
        puts("Use:./cp  ");
        return 0;
    }
​
    // 获取到文件的大小
    struct stat buf;
    if(stat(argv[1],&buf))
    {
        perror("stat");
        return -1;
    }
​
    // 创建出目标文件
    if(NULL == fopen(argv[2],"w"))
    {
        perror("fopen");
        return -2;
    }
​
    // 计算需要的线程数量,以100M为单位
    size_t pthread_cnt = buf.st_size/(1024*1024*100)+1;
​
    // 分配任务
    pthread_t tid;
    for(int i=0; isrc = (char*)argv[1];
        task->dest = (char*)argv[2];
        task->start = i*1024*1024*100;
        task->end = (i+1)*1024*1024*100;
​
        // 创建子线程并分配任务
        pthread_create(&tid,NULL,run,task);
​
        // 分享子线程
        pthread_detach(tid);
    }
    
    // 结束主线程
    pthread_exit(NULL);
}

多线程并不能提高运行速度，反而可能会降低，所以多线程不适合解决运算密集性问题，而是适合解决等待、阻塞的问题，如果使用进程去等待，会浪费大量资源，所以使用更轻量的线程去等待，节约资源。