一、线程的概念
1. 什么是线程
线程就是 Light weight process ，LWP，轻量级进程，在Linux环境下它仍然是进程，一个进程内部可以有多个线程，默认情况下一个进程内部有一个线程。不同的是，进程有自己的进程控制块PCB，并且拥有自己独立的地址空间；而线程虽然也有线程控制块（这样来看，如果一个进程内有多个线程，那么进程内将有多个PCB），但是它没有独立的地址空间，而是共享空间，我们可以理解为在进程的虚拟空间中除了栈都是共享的（在实际编程中，线程一般就是一个函数，函数肯定要有自己的栈来运行）。也就是说，进程和线程最大的区别在于是否共享地址空间。在Linux环境下，线程是最小的执行单位，进程是最小的资源分配单位。
我们在进程间通信的时候，因为每个进程都有自己的进程地址空间，所以才要通过信号、管道等去传递数据。而线程共享存储空间（除栈外），所以通信就方便多了，在进程中定义一个全局变量就可以让所有线程去共享，来实现通信。通过线程可以把任务分解，同一个进程中不同线程同时执行不同的任务，大大提供了执行效率。但是，如果当前计算机只有一个CPU核心，多线程也就没意义了，因为线程执行的时候都要持有CPU。
2. Linux内核线程实现原理
在类Uinx系统中，早期是没有线程概念的，直到80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念，因此在类Uinx系统中，线程和进程密切相关。
- 首先线程是轻量级进程LWP，线程也有PCB，创建线程所使用的底层函数和进程一样，都是clone。
- 从内核的角度来看，进程和线程是一样的，都有自己不同的PCB。
- 进程中可以包含很多线程，并且进程至少包含一个线程。
- 线程可以看作是寄存器和栈的集合。
- 在Linux下，线程是最小的执行单位，进程是最小的资源分配单位。
- 可以通过 ps -Lf pid 来查看指定线程的lwp号。
3. 线程的共享资源和非共享资源
3.1 共享资源
- 文件描述符
- 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，text段、data段、bss段、heap段、共享库。（也就是我们前面画过的进程地址空间示意图中，除了栈stack段以外的部分）
3.2 线程非共享资源
- 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，每个线程都有自己的errno，所以不能再像进程那样使用perror来打印，应该使用sterror函数打印。 char *strerror(int errnum); /*获取错误码对应的错误信息*/
- 信号屏蔽字，多线程编程中，应尽量避免使用信号。
- 调度优先级
4. 线程的优缺点
优点是可以提高程序的并发性，有效提高CPU利用率；并且开销小，多个线程共享进程的空间，数据之间的通信和共享更方便。
缺点是调试和编写工作繁琐，并且线程相关的库函数不稳定，对信号机制的支持不友好。这里要注意，线程都是库函数，在编译的时候都要加上一个参数 -pthread。
二、线程控制原语
因为线程都是库函数，所以编译的时候都要加一个-pthread选项，表示包含线程库，总之，编译线程相关的程序都要在gcc后面加参数 -pthread。Compile and link with -pthread. （有的时候是加-lpthread）
1. pthread_self函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void); - 函数描述 The pthread_self() function returns the ID of the calling thread. 获得线程的pid，类似于进程中的getpid()。
- 函数参数 void
- 函数返回值 This function always succeeds, returning the calling thread’s ID.
2. pthread_create函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);- 函数描述 The pthread_create() function starts a new thread in the calling process. 创建一个线程。
- 函数参数
- thread：它是一个传出参数，代表线程ID，一级指针做输出。
- attr：代表线程属性
- start_routine：回调函数
- arg：线程执行回调函数时的参数
- 函数返回值 On success, pthread_create() returns 0; on error, it returns an error number, and the contents of *thread are undefined.
示例：创建一个线程
代码语言：javascript复制/************************************************************
>File Name : pth_test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月25日 星期三 17时17分15秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* th_print(void* arg)
{
printf("th_print thread: %s, pid: %d, tid: %lun", (char*)arg, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, th_print, (void*)argv[1]);
printf("main thread, pid: %d, tid: %lun", getpid(), pthread_self());
sleep(1); /*不睡眠的话，进程退出了，线程还没结束就没了*/
return 0;
}可以看到进程ID是一样的，线程ID不同。
3. pthread_exit函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);- 函数描述 The pthread_exit() function terminates the calling thread and returns a value via retval that (if the thread is joinable) is available to another thread in the same process that calls pthread_join(3). 退出一个线程，注意是退出线程。
- 函数参数
- retval：退出值
- 函数返回值 This function does not return to the caller.
示例：线程的三种退出方式
代码语言：javascript复制/************************************************************
>File Name : pth_test2.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月25日 星期三 17时17分15秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* th_print(void* arg)
{
printf("th_print thread: %s, pid: %d, tid: %lun", (char*)arg, getpid(), pthread_self());
/*return NULL; */
pthread_exit(NULL);
/*exit(1); */
/*三种退出方式是不一样的，前两个都是正常退出，只退出线程。
线程中return表示退出线程，主线程中return代表退出进程。
pthread_exit表示退出线程。
而exit()是退出整个进程，所以在线程中应该使用前两种*/
}
int main(int argc, char* argv[])
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, th_print, (void*)argv[1]);
printf("main thread, pid: %d, tid: %lun", getpid(), pthread_self());
sleep(5);
printf("sleep end...n");
pthread_exit(NULL);
return 0;
}4. pthread_join函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);- 函数描述 The pthread_join() function waits for the thread specified by thread to terminate. 线程回收函数，会阻塞等待线程结束。
- 函数参数
- thread：线程ID，pthread_create传出的第一个参数。
- retval：二级指针做输出，传出线程退出的信息。
- 函数返回值 On success, pthread_join() returns 0; on error, it returns an error number.
示例：线程回收
代码语言：javascript复制/************************************************************
>File Name : join_test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月25日 星期三 17时17分15秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* th_print(void* arg)
{
printf("th_print thread: %s, pid: %d, tid: %lun", (char*)arg, getpid(), pthread_self());
sleep(3);
printf("th_print thread endn");
return (void*)101;
/*pthread_exit((void*)101); 等效*/
}
int main(int argc, char* argv[])
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, th_print, (void*)argv[1]);
printf("main thread, pid: %d, tid: %lun", getpid(), pthread_self());
void* ret;
pthread_join(tid, &ret); /*线程回收函数是阻塞等待的
只有等到线程结束了，才会执行下面的打印语句*/
printf("th_print thread return: %dn", (int)ret);
return 0;
}编译执行，可以看到线程退出信息被返回。
5. pthread_detach函数与线程分离
5.1 pthread_detach函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);- 函数描述 The pthread_detach() function marks the thread identified by thread as detached. 实现线程分离。
- 函数参数
- thread：线程ID
- 函数返回值 On success, pthread_detach() returns 0; on error, it returns an error number.
5.2 什么是线程分离
线程分离状态是指：指定该状态，那么线程将主动与主控线程断开关系。等到线程结束后，其退出状态不由其它线程获取，而是直接自己自动释放，多用于网络、多线程服务器等场合。设置线程分离既可以使用pthread_detach()函数，也可以使用pthread_create()函数参数attr来设置线程分离属性。
如果进程有线程分离机制，那么就不会再产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要是由于进程终止后，大部分资源被释放，但是仍然有残留西元存在于系统中，导致内核认为该进程仍然存在。
一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其他线程调用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()，因为这样调用会返回EINVAL错误。也就是说，如果一个线程已经调用了pthread_join()就不能再调用pthread_join()函数了。
代码语言：javascript复制/************************************************************
>File Name : detach_test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月25日 星期三 17时17分15秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* th_print(void* arg)
{
printf("th_print thread: %s, pid: %d, tid: %lun", (char*)arg, getpid(), pthread_self());
sleep(3);
printf("th_print thread endn");
return (void*)101;
/*pthread_exit((void*)101); 等效*/
}
int main(int argc, char* argv[])
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, th_print, (void*)argv[1]);
printf("main thread, pid: %d, tid: %lun", getpid(), pthread_self());
pthread_detach(tid);
sleep(6);
int ret = 0;
if((ret = pthread_join(tid, NULL)) > 0)
{
printf("pthread_join errno: %d, %sn", ret, strerror(ret));
}
return 0;
}编译运行，可以看到pthread_join报错。
5.3 线程的分离状态
线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。
- 非分离状态：线程的默认属性是非分离状态，在这种情况下，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。
设置分离状态的函数
- 进程属性控制
#include <pthread.h>
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); /*初始化属性*/
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); /*销毁属性*/- 设置属性分离态
#include <pthread.h>
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
/*
PTHREAD_CREATE_DETACHED 设置分离
PTHREAD_CREATE_JOINABLE 需要pthread_join回收
*/示例：设置分离状态属性
代码语言：javascript复制#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* th_print(void* arg)
{
printf("th_print...n");
return NULL;
}
int main()
{
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, &attr, th_print, NULL);
int ret;
if((ret = pthread_join(tid, NULL)) > 0)
{
printf("pthread_join errno: %d, %sn", ret, strerror(ret));
}
pthread_attr_destroy(&attr);
return 0;
}需要注意的是，如果设置一个线程为分离状态，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，它终止后就可能将线程号和系统资源移交给其它线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况的话可以采取一定的同步措施。最简单的方法之一就是在被创建的线程里调用pthread_cond_timedwait函数，让线程多等待一会，留出足够的时间让函数pthread_create返回。但是不能使用wait函数，因为它是让整个进程睡眠，无法达到线程同步的目的。
6. pthread_cancel函数与线程取消点
6.1 pthread_cancel函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);- 函数描述 The pthread_cancel() function sends a cancellation request to the thread thread. 取消线程，被取消的线程退出值定义在Linux的pthread库中，常数PTHREAD_CANCELED的值是-1，在头文件pthread.h中它的定义为 #define PTHREAD_CANCELED ((void*)-1)，也就是说，使用pthread_join回收被取消的线程时，得到的返回值是-1。
- 函数参数
- thread：线程ID，pthread_create传出的第一个参数。
- 函数返回值 On success, pthread_cancel() returns 0; on error, it returns a non-zero error number.
/************************************************************
>File Name : join_test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月25日 星期三 17时17分15秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* th_print(void* arg)
{
while(1)
{
printf("th_print thread: %s, pid: %d, tid: %lun", (char*)arg, getpid(), pthread_self());
sleep(1);
}
pthread_exit((void*)101);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, th_print, (void*)argv[1]);
printf("main thread, pid: %d, tid: %lun", getpid(), pthread_self());
sleep(3);
pthread_cancel(tid); /*杀死线程*/
void* ret;
pthread_join(tid, &ret);
printf("th_print thread return: %dn", (int)ret);
return 0;
}杀死线程的返回值是-1
6.2 什么是取消点
需要注意的是，线程取消并不是实时的，而是具有一定的延时，需要等待线程达到某个取消点（检查点）。就比如说我们停车，必须到达停车位才能停车，杀死线程的时候也并不是立马就杀死，而是等到达取消点了才能杀死。比如说在上面的程序中，如果我们th_print()函数改造为一个空虚循环，这个先杀就无法使用pthread_cancel()杀死了，因为没有取消点。
代码语言：javascript复制void* th_print(void* arg)
{
while(1)
{
;
}
pthread_exit((void*)101);
}取消点就是线程检查是否被取消，并按照请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用creat、open、pause、close、read、write等，通过 man 7 pthreads 可以查看具备这些取消点的系统调用列表。可以认为，一个系统调用（陷入内核）就是一个取消点。如果没有取消点的话，可以通过调用 pthread_testcansel() 函数自行设置一个取消点。被取消的线程退出值定义在Linux的pthread库中，常数PTHREAD_CANCELED的值是-1，在头文件pthread.h中它的定义为 #define PTHREAD_CANCELED ((void*)-1)，也就是说，使用pthread_join回收被取消的线程时，得到的返回值是-1。
7. pthread_equal函数
- 头文件及函数原型
#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);- 函数描述 The pthread_equal() function compares two thread identifiers. 比较两个线程ID是否相等。官方推荐使用函数判断两个线程ID是否相等，而不是直接通过tip1=tid2来判断，因为未来Linux线程ID的类型pthread_t可能被修改为结构体实现。另外要注意的是，在一个进程内，线程ID可以唯一确定一个线程，但是在整个操作系统内就不可以了。而进程的PID在操作系统内是唯一的。
- 函数参数
- t1：线程1ID
- t2：线程2ID
- 函数返回值 If the two thread IDs are equal, pthread_equal() returns a non-zero value; otherwise, it returns 0.
三、线程使用注意事项
1. NPTL
- NPTL就是 Native POSIX Thread Library；
- 查看当前pthread库版本命令 getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
- 使用线程库时需要gcc指定 -pthread 或 -lpthread
2. 线程使用注意事项
- 要想主线程退出其他线程不退出，主线程应调用pthread_exit。
- 避免僵尸进程
- 回收线程：pthread_join
- 分离线程
- pthread_detach
- pthread_create指定分离属性
- malloc和mmap申请的内存可以在其他线程中释放。
- 应避免在多线程模型中调用fork，除非马上exec，子进程中只有调用fork的线程存在，其它线程在子进程中都pthread_exit。
- 多线程中避免使用信号。
- 线程创建的个数一般是：CPU核数*2 2
附：多线程创建
代码语言：javascript复制#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void th_func(void* num) /*不稳定*/
{
int ret = (int)num;
printf("thread %d, tid: %dn", num, pthread_self());
return (void*)(ret 10);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
pthread_t tid[5];
int i;
for(i = 0; i < 5; i )
{
pthread_create(&tid[i], NULL, th_func, (void*)i); /*传地址不可以*/
}
for(i = 0; i < 5; i )
{
void* ret;
pthread_join(tid[i], &ret);
printf("thread %d, ret: %dn", i, (int)ret);
}
return 0;
}
