线程

最新推荐文章于 2025-04-06 08:38:40 发布

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有些情况需要在一个进程中同时执行多个控制流程，这时候线程就派上了用场，比如实现一个图形界面的下载软件，一方面需要和用户交互，等待和处理用户的鼠标键盘事件，另一方面又需要同时下载多个文件，等待和处理从多个网络主机发来的数据，这些任务都需要一个“等待-处理”的循环，可以用多线程实现，一个线程专门负责与用户交互，另外几个线程每个线程负责和一个网络主机通信。

由于同一进程的多个线程共享同一地址空间，因此TextSegment、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
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）
当前工作目录用户id和组id

但有些资源是每个线程各有一份的：

线程id
上下文，包括各种寄存器的值、程序计数器和栈指针
栈空间
errno变量
信号屏蔽字
调度优先级

我们将要学习的线程库函数是由POSIX标准定义的，称为POSIX thread或者pthread。在Linux上线程函数位于libpthread共享库中，因此在编译时要加上-lpthread选项。

创建线程：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *restrict thread,           //线程id
                   const pthread_attr_t *restrict attr,  //属性
                   void *(*start_routine)(void*),     //执行函数
                   void *restrict arg);               //函数参数

返回值：成功返回0，失败返回错误号。

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我们传给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的返回值其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值。

线程id的类型是thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self可以获得当前线程的id。

int main (void)
{
    int err;
    err = pthread_create(&ntid, NULL, printids, "main thread: ");  //创建线程
}

void printids(void *s)
{ 
      pid_t pid; 
      pthread_t tid;
      pid = getpid();         //获取当前进程id
      tid = pthread_self();   //获取当前线程id
      printf("%s pid %u tid %u (0x%x)\n", (char*)s, (unsigned int)pid, (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
      //main thread: pid 7398 tid 3084450496 (0xb7d8fac0)
}

终止线程：

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程，可以有三种方法：

从线程函数return。这种方法对主线程不适用，从main函数return相当于调用exit。（如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都终止）
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。（用pthread_cancel终止一个线程分同步和异步两种情况）

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *value_ptr);

value_ptr是void *类型，和线程函数返回值的用法一样，其它线程可以调用pthread_join获得这个指针。

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。

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

返回值：成功返回0，失败返回错误号

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，value_ptr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，value_ptr所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。（-1）
如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，value_ptr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value_ptr参数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void *thr_fn1(void *arg)
{ 
   printf("thread 1 returning\n");
   return (void *)1;                             //return结束，返回 1
}

void *thr_fn2(void *arg)
{
   printf("thread 2 exiting\n");
   pthread_exit((void *)2);                      //终止自己，返回参数2
}

void *thr_fn3(void *arg)
{
   while(1)                                      //不让自己终止
   { 
       printf("thread 3 writing\n");
       sleep(1); 
   }
}

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

pthread_create(&tid, NULL, thr_fn1, NULL); 
pthread_join(tid, &tret);                      //调用pthread_join获取tid的状态
printf("thread 1 exit code %d\n", (int)tret); 

pthread_create(&tid, NULL, thr_fn2, NULL); 
pthread_join(tid, &tret); 
printf("thread 2 exit code %d\n", (int)tret);
 
pthread_create(&tid, NULL, thr_fn3, NULL);      //创建线程
sleep(3); 
pthread_cancel(tid);                            //主线程异常终止掉tid
pthread_join(tid, &tret);                      
printf("thread 3 exit code %d\n", (int)tret);   //Linux的pthread库中常数PTHREAD_CANCELED的值是-1

return 0;
}

$ ./a.out 

thread 1 returning
thread 1 exit code 1
thread 2 exiting
thread 2 exit code 2
thread 3 writing
thread 3 writing
thread 3 writing
thread 3 exit code -1

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。对一个尚未detach的线程调用pthread_join或pthread_detach都可以把该线程置为detach状态，也就是说，不能对同一线程调用两次pthread_join，或者如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);
返回值：成功返回0，失败返回错误号。

线程间同步：

多个线程同时访问共享数据时可能会冲突

对于多线程的程序，访问冲突的问题是很普遍的，解决的办法是引入互斥锁（Mutex，MutualExclusive Lock），获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作，然后释放锁给其它线程，没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据，这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作，要么都执行，要么都不执行，不会执行到中间被打断，也不会在其它处理器上并行做这个操作。

Mutex用pthread_mutex_t类型的变量表示，可以这样初始化和销毁：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

返回值：成功返回0，失败返回错误号。

pthread_mutex_init函数对Mutex做初始化，参数attr设定Mutex的属性，如果attr为NULL则表示缺省属性

pthread_mutex_init函数初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy销毁

如果Mutex变量是静态分配的（全局变量或static变量），也可以用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化，相当于用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。

Mutex的加锁和解锁操作可以用下列函数：

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值：成功返回0，失败返回错误号。
一个线程可以调用pthread_mutex_lock获得Mutex，如果这时另一个线程已经调用pthread_mutex_lock获得了该Mutex，则当前线程需要挂起等待，直到另一个线程调用pthread_mutex_unlock释放Mutex，当前线程被唤醒，才能获得该Mutex并继续执行。
如果一个线程既想获得锁，又不想挂起等待，可以调用pthread_mutex_trylock，如果Mutex已经被另一个线程获得，这个函数会失败返回EBUSY，而不会使线程挂起等待。

int counter;         /* incremented by threads */
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  //全局变量， 相当于用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。

for (int i = 0; i < 5000; i++) 
{
    pthread_mutex_lock(&counter_mutex);   //线程获得互斥锁，其他线程不能访问，所以不会有冲突
                                          //这时某个进程调用lock可以获得锁，而Mutex的值为0表示互斥锁已经被某个线程获得，其它线程再调用lock只能挂起等待
    int val = counter;
    printf("%x: %d\n", (unsigned int)pthread_self(), val + 1); 
    counter = val + 1;
    pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);  //释放锁
                                           //unlock操作中唤醒等待线程的步骤可以有不同的实现，可以只唤醒一个等待线程，也可以唤醒所有等待该Mutex的线程，然后让被唤醒的这些线程去竞争获得这个Mutex，竞争失败的线程继续挂起等待。
}

上面代码（不全），对Mutex变量的读取、判断和修改不是原子操作

为了实现互斥锁操作，大多数体系结构都提供了swap或exchange指令，该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换，由于只有一条指令，保证了原子性，即使是多处理器平台，访问内存的总线周期也有先后，一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。

每个Mutex有一个等待队列，一个线程要在Mutex上挂起等待，首先在把自己加入等待队列中，然后置线程状态为睡眠，然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程，只需从等待队列中取出一项，把它的状态从睡眠改为就绪，加入就绪队列，那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。

一般情况下，如果同一个线程先后两次调用lock，在第二次调用时，由于锁已经被占用，该线程会挂起等待别的线程释放锁，然而锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起而没有机会释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了，这叫做死锁（Deadlock）。另一种典型的死锁情形是这样：线程A获得了锁1，线程B获得了锁2，这时线程A调用lock试图获得锁2，结果是需要挂起等待线程B释放锁2，而这时线程B也调用lock试图获得锁1，结果是需要挂起等待线程A释放锁1，于是线程A和B都永远处于挂起状态了。不难想象，如果涉及到更多的线程和更多的锁，有没有可能死锁的问题将会变得复杂和难以判断。

写程序时应该尽量避免同时获得多个锁，如果一定有必要这么做，则有一个原则：如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序（常见的是按Mutex变量的地址顺序）获得锁，则不会出现死锁。比如一个程序中用到锁1、锁2、锁3，它们所对应的Mutex变量的地址是锁1<锁2<锁3，那么所有线程在需要同时获得2个或3个锁时都应该按锁1、锁2、锁3的顺序获得。如果要为所有的锁确定一个先后顺序比较困难，则应该尽量使用pthread_mutex_trylock调用代替pthread_mutex_lock调用，以免死锁。