Linux线程

注： 本文章参考其他博客加上自身的理解总结而成

一、概念

线程定义

• 一个线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，也称为轻量进程（LWP）
• 一个进程可以有很多线程，每个线程并行执行不同的任务
• 线程会拥有自己的堆栈（不共享），但是它与同一进程中的多个线程将共享该进程中的全局变量、文件描述符等系统资源

进程和线程的区别

• 根本区别：进程是最小的分配资源的单位，线程是最小的执行单位。
• 通信机制：对于不同的进程之间，它们具有独立的数据空间，数据进行传递只能通过通信的方式进行，方式不仅耗时，而且不方便。但同一进程下的线程之间共享数据空间，通信很方便且安全
• 内存分配：系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间，而线程除了CPU外，不会再分配空间，而是使用进程的资源空间
• 从属关系：线程是进程的一部分，进程一旦结束，所有线程都结束

线程的共享资源

• 文件描述符表
• 每种信号的处理方式
• 当前工作目录
• 用户ID和组ID
• 内存地址空间

线程的非共享资源

• 线程id
• 处理器现场和栈指针(内核栈)
• 独立的栈空间(用户空间栈)
• errno变量
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

线程优缺点

优点

• 提高程序的并发性
• 开销小，不用重新分配内存
• 通信和共享数据方便

缺点

• 线程不稳定，linux线程的概念比信号还晚才出来，库函数实现，需要链接 -lpthread
• 多线程调试比较困难（gdb支持不好）
• 线程无法使用unix经典事件，例如信号

线程标识符

• 像每个进程有一个进程ID一样，每个线程也有一个线程ID
• 进程ID在整个系统中是唯一的，但线程不同，线程ID只在它所属的进程环境中有效
• 线程ID用pthread_t数据类型来表示

二、线程原语

因为Linux多线程是有库函数实现的，需要添加头文件#include <pthread.h>，且编译的时候需要链接 -lpthread 库

线程创建

#include <pthread.h>

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

参数

• pthread_t *thread:传递一个pthread_t变量地址进来，用于保存新线程的tid（线程ID）
• const pthread_attr_t *attr:线程属性设置，如使用默认属性，则传NULL
• void *(*start_routine) (void *):函数指针，指向新线程应该加载执行的函数模块
• void *arg:指定线程将要加载调用的那个函数的参数

返回值

• 成功返回0，失败返回错误号。可以先用strerror()把错误码转换成错误信息再打印

获取调用线程号

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);

返回值

• 返回当前线程号

线程退出

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *retval);

参数

• rval_ptr是线程结束时的返回值，可由其他函数获取，如pthread_join()。

注意

• 如果进程中任何一个线程调用exit()或_exit()，那么整个进程都会终止。
• 线程的正常退出方式有：线程从线程函数中返回、线程可以被另一个线程终止以及线程自己调用pthread_exit()函数

等待线程回收

函数说明：阻塞调用函数，直到指定的线程终止，若线程不回收就类型僵进程，占用资源

#include <pthread.h>

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

参数

• pthread_t thread:回收线程的tid
• void **retval:接收退出线程传递出的返回值，不接收传NULL

返回值

• 成功返回0，失败返回错误号

取消进程

函数说明：取消线程，该函数在其他线程中调用，用来强行杀死指定的线程，也需要pthread_join回收

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数

• 线程ID号

线程清除

通过调用pthread_detach()函数，结束线程，资源由系统自动释放。不用调用pthread_join

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t tid);

参数

• pthread_t tid:分离线程tid

返回值

• 成功返回0，失败返回错误号。

比较两个线程是否相等

#include <pthread.h>

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

参数

• 两个线程的ID号

三、线程属性

linux下线程的属性是可以根据实际项目需要，进行设置，之前我们讨论的线程都是采用线程的默认属性，默认属性已经可以解决绝大多数开发时遇到的问题。如我们对程序的性能提出更高的要求那么需要设置线程属性，比如可以通过设置线程栈的大小来降低内存的使用，增加最大线程个数。

typedef struct
{
int etachstate; //线程的分离状态
int schedpolicy; //线程调度策略
structsched_param schedparam; //线程的调度参数
int inheritsched; //线程的继承性
int scope; //线程的作用域
size_t guardsize; //线程栈末尾的警戒缓冲区大小
int stackaddr_set; //线程的栈设置
void* stackaddr; //线程栈的位置
size_t stacksize; //线程栈的大小
}pthread_attr_t;

注：目前线程属性在内核中不是直接这么定义的，抽象太深，为方便理解，使用早期的线程属性定义，两者之间定义的主要元素差别不大。属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作

• 初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用
• 之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源
• 默认的属性为非绑定、非分离、缺省M的堆栈、与父进程同样级别的优先级

线程属性初始化

先初始化线程属性，再pthread_create创建线程

#include <pthread.h>

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); //初始化线程属性
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); //销毁线程属性所占用的资源

线程的分离状态

线程的是否可结合状态决定线程以什么样的方式来终止自己。在任何一个时间点上，线程是可结合的（或非分离的，joinable）或者是分离的（detached）。

• 非分离状态:线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。
• 分离状态:分离线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。

#include <pthread.h>

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate); //设置线程属性，分离or非分
离
int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate); //获取程属性，分离or非分离

参数

• pthread_attr_t *attr:被已初始化的线程属性
• int *detachstate:可选为
  PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
  PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）

注意
这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timedwait函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。

线程的栈大小

当系统中有很多线程时，可能需要减小每个线程栈的默认大小，防止进程的地址空间不够用,当线程调用的函数会分配很大的局部变量或者函数调用层次很深时，可能需要增大线程栈的默认大小。

函数pthread_attr_getstacksize和 pthread_attr_setstacksize提供设置

#include <pthread.h>

int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);

参数

• attr 指向一个线程属性的指针
• stacksize 返回线程的堆栈大小

返回值

• 若是成功返回0,否则返回错误的编号

除上述对栈设置的函数外，还有以下两个函数可以获取和设置线程栈属性

#include <pthread.h>

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize);

参数

• attr 指向一个线程属性的指针
• stackaddr 返回获取的栈地址
• stacksize 返回获取的栈大小

返回值

• 若是成功返回0,否则返回错误的编号

设置属性例子

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

#define SIZE 0x10000

int print_ntimes(char *str)
{
    sleep(1);
    printf("%s\n", str);
    return 0;
}
void *th_fun(void *arg)
{
    int n = 3;
    while (n--)
        print_ntimes("hello xwp\n");
}
int main(void)
{
    pthread_t tid;
    int err, detachstate, i = 1;
    pthread_attr_t attr;
    size_t stacksize;
    void *stackaddr;
    
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);
    
    printf("stackadd=%p\n", stackaddr);
    printf("stacksize=%x\n", (int)stacksize);
    
    pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);
    
    if (detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED)
        printf("thread detached\n");
    else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)
        printf("thread join\n");
    else
        printf("thread un known\n");
    
    /* 设置线程分离属性 */
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    while (1) 
    {
        /* 在堆上申请内存，指定线程栈的起始地址和大小 */
        stackaddr = malloc(SIZE);
        if (stackaddr == NULL) 
        {
            perror("malloc");
            exit(1);
        }
        stacksize = SIZE;
        pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize);
        err = pthread_create(&tid, &attr, th_fun, NULL);
        if (err != 0) 
        {
            printf("%s\n", strerror(err));
            exit(1);
        }
        printf("%d\n", i++);
    }
    pthread_attr_destroy(&attr);
    return 0;
}