Linux中线程的概念及创建应用

一.线程的概念
线程，是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。
由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。就绪状态是指线程具备运行的所有条件，逻辑上可以运行，在等待处理机 ; 运行状态是指线程占有处理机正在运行;阻塞状态是指线程在等待一个事件(如某个信号量)，逻辑上不可执行。
每一个程序都至少有一个线程，若程序只有一个线程，那就是程序本身。
之前没有学过线程的概念之前，所谓的pid指的是进程的id，一个进程有一个对应的PCB。但是引入了线程的概念之后，一个进程实际上对应的是一组PCB，因为线程的描述也是由PCB来描述的，这样的一个进程内的一组线程叫做线程组。
对于系统调用getpid（），它返回的其实并不是这个进程的pid，而是这个线程组的组id（tgid），即“Thread Group ID“”。该线程组的组id就是该线程组的主线程的id（主函数main）。想要拿到具体某个轻量级进程（线程）的id，可以用系统调用gettid（）。

实际上，线程有两个ID，一个是内核给每个线程的LWP（ID）；另一个则是POSIX中的线程库的线程ID，也就是pthread_self（）返回的线程ID，这个系统调用实际上返回的是进程地址空间上的一个地址。

二.线程与进程的区别
在Linux下并没有专门为线程设计这么一个概念，也就是说没有真正意义上的线程，它在Linux下是由进程模拟的，可以认为所有的PCB都可以称为轻量级进程（不一定是进程，也可能是线程），简称LWP。进程是分配系统资源的一个实体，而线程是CPU调度的基本单位。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。相对来说，多进程相对稳定，多线程相对不稳定。
进程具有独立的地址空间，而线程并没有，同一进程内部的线程共享进程的地址空间。

三.多线程相对于多进程的优缺点

1.多线程的优点：

• 无需跨进程边界；

• 程序逻辑和控制方式简单；

• 所有线程可以直接共享内存和变量等；

• 线程方式消耗的总资源比进程方式好；

2.多线程的缺点：

• 每个线程与主程序共用地址空间，受限于有限的地址空间；

• 线程之间的同步和加锁控制比较麻烦；

• 一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性；

• 到达一定的线程数程度后，即使再增加CPU也无法提高性能；

• 线程能够提高的总性能有限，而且线程多了之后，线程本身的调度也很麻烦，需要消耗较多的CPU；

3.多进程的优点：

• 每个进程互相独立，不影响主程序的稳定性，子进程崩溃没关系；

• 通过增加CPU，就可以容易扩充性能；

• 可以尽量减少线程加锁/解锁的影响，极大提高性能，就算是线程运行的模块算法效率低也没关系；

• 每个子进程都有2GB地址空间和相关资源，总体能够达到的性能上限非常大；

4.多进程的缺点：

• 逻辑控制复杂，需要和主程序交互；

• 需要跨进程边界，如果有大数据量传送，就不太好，适合小数据量传送、密集运算；

• 多进程调度开销比较大；

四.线程所具有的资源

线程共享的进程资源及环境：
1. 文件描述符表
2. 虚拟地址空间（实际上是页表，并不包括调用栈）
3. 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)
4. 当前工作目录
5. 用户id和组id

每个线程私有一份的资源：
1. 栈空间
2. 上下文信息,包括各种寄存器的值、程序计数器和栈指针
3. 调度优先级
4. errno变量
5. 信号屏蔽字
6. 线程id

五.线程的创建/等待/终止

1.进程的创建函数pthread_create

参数声明：

• 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

此函数成功返回0，失败返回错误号，实际上pthread中的函数失败的返回值都是返回错误号

关于错误信息的检查
- 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函数错误时不会设置全局变量errno（而大部分其他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，建议通过返回值判定，因为读取返回值的代价比读取线程内部的errno变量要小的多

2.进程的终止函数pthread_exit

实际上，线程的终止有三种方式：
①return可以表示线程终止
②使用pthread_exit表示线程终止
③一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程的另一个进程

参数声明：

• retval:retval不要指向一个局部变量

需要注意,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。

3.进程的取消函数pthread_cancel

thread即为另一线程的线程ID

4.进程的等待函数pthread_join

• 已经退出的线程，其空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内

• 创建新的进程不会服用刚才退出线程的地址空间

  
  参数声明：

• thread：线程ID

• value_ptr:它指向一个指针，该指针指向线程的返回值

  同样的，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（通过验证可以得到该常数是-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。

5.线程的分离函数pthread_detach

• 默认情况下，新创建的线程时joinable的，线程退出后，需要调用pthread_jion函数来等待，否则无法释放线程资源，导致系统内存泄漏。
• 当我们不关心线程的返回值时，jion显然是多余的，这个时候我们可以调用pthread_detach函数来分离线程，告诉系统线程退出时，自动释放线程资源。

int pthread_detach(pthread_t thread);

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。

pthread_detach(pthread_self());

joinable和分离是冲突的，一个线程不可能既是joinable的又是分离的。

相关的测试代码如下：

在这里，thread_run函数是线程去执行的函数，而main函数是主线程所执行的函数，下面我们来看线程的三种终止方式的退出结果。

如上图所示，是第一种线程终止的方式，利用pthread_cancel函数取消线程，其测试结果如图：

可以看到其返回值ret是-1。

下面看第二种线程终止的方式，利用pthread_exit函数终止线程，其测试代码及测试结果如图：


可以看到程序最终接受到的返回码就是123，是pthread_exit中的参数值。

最后一种线程终止的方式，就是在函数中直接return返回，其测试代码及测试结果如图：


可以看到程序最终返回的就是1，就是thread_run函数中return给主函数的值。