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⏰发布时间⏰：2024-03-22 09:05:41
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🎄一、概述
Linux线程库接口包括线程的创建、 退出、 取消和分离， 以及连接已经终止的线程， 互斥量， 读写锁，线程的条件等待等。
| POSIX 函数 | 函数功能描述 |
|---|---|
| pthread_create | 创建一个线程 |
| pthread_exit | 退出线程 |
| pthread_self | 获取线程ID |
| pthread_equal | 检查两个线程ID是否相等 |
| pthread_join | 等待线程退出 |
| pthread_detach | 设置线程状态为分离状态 |
| pthread_cancel | 线程的取消 |
| pthread_cleanup_push、pthread_cleanup_pop | 线程退出，清理函数注册和执行 |
在代码里使用到上述接口函数时，使用gcc编程过程中需要加-pthread选项。
本文将介绍线程创建相关的一些知识，从pthread_create开始，然后依次介绍该函数第一个参数相关的线程ID，以及第二个函数相关的线程属性。
🎄二、线程的创建 pthread_create
程序开始启动的时候， 产生的进程只有一个线程， 我们称之为主线程或初始线程。 对于单线程的进程而言， 只存在主线程一个线程。 如果想在主线程之外， 再创建一个或多个线程， 就需要 pthread_create 函数。
pthread_create 函数原型：
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
Compile and link with -pthread.
- 函数描述：函数
pthread_create在调用过程中启动一个新线程。新线程通过调用start_routine参数指向的函数开始执行；arg参数作为start_routine的唯一参数传递。 - 函数参数：
thread：传出参数，thread参数是pthread_t类型的指针，线程创建成功的话，会将分配的线程ID填入该指针指向的地址。线程的后续操作将使用该值作为线程的唯一标识。attr：传入参数，第二个参数是pthread_attr_t类型，通过该参数可以定制线程的属性，比如可以指定新建线程栈的大小、调度策略等。 如果创建线程无特殊的要求， 该值也可以是NULL， 表示采用默认属性。start_routine：传入参数，第三个参数是线程需要执行的函数。创建线程，是为了让线程执行一定的任务。线程创建成功之后，该线程就会执行start_routine函数，该函数之于线程，就如同main函数之于主线程。arg：第四个参数是新建线程执行的start_routine函数的入参。新建线程如果想要正常工作，则可能需要入参，那么主线程在调用pthread_create的时候，就可以将入参的指针放入第四个参数以传递给新建线程。如果多个入参，可以使用结构体指针。
- 函数返回值：如果成功，则
pthread_create返回0；如果不成功，则pthread_create返回一个非0的错误码。pthread_create函数有点不同， 它会将errno作为返回值， 而不是一个负值。- EAGAIN：系统资源不够，或者创建线程的个数超过系统对一个进程中线程总数的限制
- EINVAL：第二个参数attr值不合法
- EPERM：没有合适的权限来设置调度策略或参数
通过上面的描述可以看到，pthread_create 是一个"四针"函数，也就是说它四个参数都是指针。下面是这个函数的简单使用示例：
// 02_pthread_create
// 编译：gcc 02_pthread_create.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *func(void *arg)
{
int *parg = arg;
printf("this thread arg is %d \n", *parg);
return NULL;
}
int main()
{
int arg=10;
pthread_t threadId;
pthread_create(&threadId, NULL, func, &arg);
while(1); // 让主线程不退出
return 0;
}
🎄三、线程ID
通过 pthread_create 成功创建线程后，第一个参数会返回所创建线程的线程ID，这个线程ID不同于使用系统调用函数syscall(SYS_gettid)获得的线程ID。syscall(SYS_gettid)的ID是进程调度的范畴；而这里返回的线程ID是操作系统调度器用来标识线程的。
pthread_t到底是个什么样的数据结构呢？ 因为POSIX标准并没有限制pthread_t的数据类型， 所以该类型取决于具体实现。 对于Linux目前使用的NPTL实现而言， pthread_t类型的线程ID， 本质就是一个进程地址空间上的一个地址。typedef unsigned long int pthread_t;
pthread_t类型在Linux系统中定义在<bits/pthreadtypes.h>头文件中，在Ubuntu可以使用命令vi /usr/include/bits/pthreadtypes.h来查看，其完整定义如上，是unsigned long int类型的。
✨2.1 线程ID相关函数
关于线程ID，线程库NPTL提供了pthread_self、pthread_equal 两个函数来操作线程ID，它们的函数原型如下：
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
Compile and link with -pthread.
pthread_self函数用于在线程指向函数中获取自身线程ID，这个函数不会调用失败，返回值就是线程ID；
pthread_equal函数用于比较两个线程ID是否相等，返回值是0的时候， 表示两个线程是同一个线程， 非零值则表示不是同一个线程。注意，比较线程ID只有在同一个进程中才有意义。
🌰举例子：
// 03_pthreadID.c
// gcc 03_pthreadID.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *func1(void *arg)
{
int *parg = arg;
printf("this thread arg is %d, my threadID is %lx \n", *parg, (unsigned long)pthread_self());
while(1); // 让线程不退出
}
void *func2(void *arg)
{
pthread_t *parg = arg;
printf("other threadId is %lx, my threadID is %lx \n", (unsigned long)*parg, (unsigned long)pthread_self());
while(1); // 让线程不退出
}
int main()
{
int arg=10;
pthread_t threadId_1;
pthread_create(&threadId_1, NULL, func1, &arg);
pthread_t threadId_2;
pthread_create(&threadId_2, NULL, func2, &threadId_1);
if(0 == pthread_equal(threadId_1,threadId_2))
printf("same threads\n");
else
printf("different threads\n");
while(1); // 让主线程不退出
return 0;
}
✨2.2 线程ID复用
在满足下列条件时， 线程ID就有可能会被复用：
1） 线程退出。
2） 线程组的其他线程对该线程执行了pthread_join， 或者线程退出前将分离状态设置为已分离。
3） 再次调用pthread_create创建线程。
看例子：
// 04_pthreadID_reuse.c
// gcc 04_pthreadID_reuse.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *func(void *arg)
{
int *parg = arg;
printf("this thread arg is %d, my threadID is %lx \n", *parg, (unsigned long)pthread_self());
return NULL;
}
int main()
{
int arg=10;
pthread_t threadId;
pthread_create(&threadId, NULL, func, &arg);
pthread_join(threadId,NULL); // 等待线程退出
pthread_create(&threadId, NULL, func, &arg);
while(1); // 让主线程不退出
return 0;
}
运行结果，可以看到两次的线程ID是一样的：
🎄四、线程属性
pthread_create 的第二个参数是线程属性，先看看 pthread_attr_t 结构体的定义：
typedef struct
{
int detachstate; //线程的分离状态
int schedpolicy; //线程调度策略
struct sched_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(竞争范围)
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;
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
功能：初始化/销毁线程的属性结构体
-
detachstate：分离状态- PTHREAD_CREATE_JOINABLE（默认值）：线程执行完函数后不会自行释放资源；
- PTHREAD_CANCEL_DEFERRED：线程执行完函数后，会自行终止并释放占用的资源。
系统提供两个函数获取、设置分离状态。另外，pthread_detach函数也可以设置线程分离。
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t * attr,int * detachstate); int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *sttr，int detachstate); -
schedpolicy：调度策略- SCHED_OTHER（默认值）：普通策略(分时调度算法)，按照优先级调度
- SCHED_FIFO：先进先出。一个FIFO会持续执行，直到线程阻塞、结束、有更高优先级的线程就绪
- SCHED_RR：轮转策略。给每个线程分配执行时间(时间片)，当一个线程的时间片耗尽时，下一个线程执行
其中，SCHED_OTHER 调度算法不支持为线程设置优先级，而另外两种调度算法支持。获取、设置的函数如下：
int pthread_attr_getschedpolicy(const pthread_attr_t *, int * policy) int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_*, int policy) -
schedparam：调度参数
用于设置线程的优先级（默认值为 0），该属性仅当线程的schedpolicy属性为 SCHED_FIFO 或者 SCHED_RR 时才能发挥作用。int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param); int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param); struct sched_param param; // sched_param 只有一个字段 sched_priority param.sched_priority = 99; -
inheritsched：继承性- PTHREAD_INHERIT_SCHED 调度属性(schedpolicy、schedparam)继承自创建者的
- PTHREAD_EXPLICIT_SCHED 使用attr创建的线程，从attr指定的值中获取其调度属性(schedpolicy、schedparam)。
获取、设置函数如下：
int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr,int inheritsched); int pthread_attr_getinheritsched(pthread_attr_t *attr,int *inheritsched); -
scope：作用域(竞争范围)- PTHREAD_SCOPE_SYSTEM：在系统范围内竞争资源
- PTHREAD_SCOPE_PROCESS：在进程范围内竞争资源
线程执行过程中，可以只和同进程内的其它线程争夺 CPU 资源，也可以和系统中所有的其它线程争夺 CPU 资源，scope 属性用于指定目标线程和哪些线程抢夺 CPU 资源。获取、设置函数如下：
int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope); int pthread_attr_getscope(pthread_attr_t *attr, int *scope); -
guardsize：线程栈末尾的警戒缓冲区大小
每个线程中，栈内存的后面都紧挨着一块空闲的内存空间，我们通常称这块内存为警戒缓冲区，它的功能是：一旦我们使用的栈空间超出了额定值，警戒缓冲区可以确保线程不会因“栈溢出”立刻执行崩溃。int pthread_attr_setguardsize(pthread_attr_t *attr, size_t guardsize); int pthread_attr_getguardsize(pthread_attr_t *attr, size_t *guardsize); -
stackaddr_set：线程的栈设置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); -
stackaddr：线程栈的位置int pthread_attr_setstackaddr(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr); int pthread_attr_getstackaddr(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr); -
stacksize：线程栈的大小int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize); int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);
🌰举例子：
// 05_dispaly_attr.c 这是man手册的一个展示线程属性的例子，可以仔细研究以下
// gcc 05_dispaly_attr.c -l pthread
#define _GNU_SOURCE /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#define handle_error_en(en, msg) \
do { errno = en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
static void
display_pthread_attr(pthread_attr_t *attr, char *prefix)
{
int s, i;
size_t v;
void *stkaddr;
struct sched_param sp;
s = pthread_attr_getdetachstate(attr, &i);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getdetachstate");
printf("%sDetach state = %s\n", prefix,
(i == PTHREAD_CREATE_DETACHED) ? "PTHREAD_CREATE_DETACHED" :
(i == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ? "PTHREAD_CREATE_JOINABLE" :
"???");
s = pthread_attr_getscope(attr, &i);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getscope");
printf("%sScope = %s\n", prefix,
(i == PTHREAD_SCOPE_SYSTEM) ? "PTHREAD_SCOPE_SYSTEM" :
(i == PTHREAD_SCOPE_PROCESS) ? "PTHREAD_SCOPE_PROCESS" :
"???");
s = pthread_attr_getinheritsched(attr, &i);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getinheritsched");
printf("%sInherit scheduler = %s\n", prefix,
(i == PTHREAD_INHERIT_SCHED) ? "PTHREAD_INHERIT_SCHED" :
(i == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) ? "PTHREAD_EXPLICIT_SCHED" :
"???");
s = pthread_attr_getschedpolicy(attr, &i);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getschedpolicy");
printf("%sScheduling policy = %s\n", prefix,
(i == SCHED_OTHER) ? "SCHED_OTHER" :
(i == SCHED_FIFO) ? "SCHED_FIFO" :
(i == SCHED_RR) ? "SCHED_RR" :
"???");
s = pthread_attr_getschedparam(attr, &sp);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getschedparam");
printf("%sScheduling priority = %d\n", prefix, sp.sched_priority);
s = pthread_attr_getguardsize(attr, &v);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getguardsize");
printf("%sGuard size = %ld bytes\n", prefix, v);
s = pthread_attr_getstack(attr, &stkaddr, &v);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_getstack");
printf("%sStack address = %p\n", prefix, stkaddr);
printf("%sStack size = 0x%lx bytes\n", prefix, v);
}
static void *
thread_start(void *arg)
{
int s;
pthread_attr_t gattr;
/* pthread_getattr_np() is a non-standard GNU extension that
retrieves the attributes of the thread specified in its
first argument */
s = pthread_getattr_np(pthread_self(), &gattr);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_getattr_np");
printf("Thread attributes:\n");
display_pthread_attr(&gattr, "\t");
exit(EXIT_SUCCESS); /* Terminate all threads */
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t thr;
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_t *attrp; /* NULL or &attr */
int s;
attrp = NULL;
/* If a command-line argument was supplied, use it to set the
stack-size attribute and set a few other thread attributes,
and set attrp pointing to thread attributes object */
if (argc > 1) {
int stack_size;
void *sp;
attrp = &attr;
s = pthread_attr_init(&attr);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_init");
s = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_setdetachstate");
s = pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_setinheritsched");
stack_size = strtoul(argv[1], NULL, 0);
s = posix_memalign(&sp, sysconf(_SC_PAGESIZE), stack_size);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "posix_memalign");
printf("posix_memalign() allocated at %p\n", sp);
s = pthread_attr_setstack(&attr, sp, stack_size);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_setstack");
}
s = pthread_create(&thr, attrp, &thread_start, NULL);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_create");
if (attrp != NULL) {
s = pthread_attr_destroy(attrp);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_attr_destroy");
}
pause(); /* Terminates when other thread calls exit() */
}
运行结果，打印一些默认值：
🎄五、总结
本文介绍了线程创建相关的内容，包括pthread_create函数的详细介绍和使用例子，然后依次介绍该函数第一个参数相关的线程ID知识以及第二个参数相关的线程属性知识。读完完整地了解线程的创建。
补充：
进程的地址空间：
1、Linux系统中，/proc/sys/vm/legacy_va_layout文件的值会影响进程地址空间的布局。默认值是0，表示mmap区域的基地址在栈的下面， mmap区域从高地址向低地址扩展；若值为1， 那么mmap的基地址mmap_base变小（约在128T的三分之一处），mmap区域从低地址向高地址扩展。
2、使用命令 pmap PID 或 cat /proc/PID/maps 可以查看进程的地址空间：
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参考资料：
https://blog.youkuaiyun.com/qq_41854911/article/details/118719001
《Linux环境编程：从应用到内核》
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