第十二章 线程

线程共享的资源

1.文件描述符表
2.每种信号的处理方式
3.当前工作目录
4.用户ID和组ID
5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)

线程不共享的资源

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

线程优缺点

• 优点：提供程序并发性；开销小；数据通信、共享数据方便
• 缺点：线程是库函数，相对于系统函数来说，不够稳定；调试、编写困难，不支持gdb调试；对信号支持不好

线程控制原语

• pthread_self函数

  作用：获取现场ID，相当于进程中的getpid()函数

  pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失败：无

  线程ID：pthread_t类型

  本质：在Linux下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现

  线程ID是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程ID允许相同) 注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。

• pthread_create函数

  作用：创建一个新线程，相当于进程中的fork() 函数。

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

  返回值：成功：0； 失败：错误号 -----Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。

  参数：

  • pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;

  • 参数1：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID

  • 参数2：通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。

  • 参数3：函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。

  • 参数4：线程主函数执行期间所使用的参数。

  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，类似于父进程调用wait()得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。

  pthread_create成功返回后，新创建的线程的id被填写到thread参数所指向的内存单元。我们知道进程id的类型是pid_t，每个进程的id在整个系统中是唯一的，调用getpid()可以获得当前进程的id，是一个正整数值。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

练习：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库 -lpthread

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

void *tfn(void *arg)
{
	printf("I'm thread, Thread_ID = %lu\n", pthread_self());
	return NULL;
}

int main(void)
{
	pthread_t tid;

	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	sleep(1);
	printf("I am main, my pid = %d\n", getpid());

	return 0;
}

如果一个线程调用了exit，那么整个进程都会终止，main函数的return也相当于exit。

练习：循环创建多个线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程。(类似于进程循环创建子进程)

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

void *tfn(void *arg)
{
	int i;

	i = (int)arg;
	sleep(i);	 //通过i来区别每个线程
	printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu\n", i+1, pthread_self());

	return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	int n = 5, i;
	pthread_t tid;

	for (i = 0; i < n; i++) {
		pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);
		//将i转换为指针，在tfn中再强转回整形。
	}
	sleep(n);
	printf("I am main, and I am not a process, I'm a thread!\n" 
			"main_thread_ID = %lu\n", pthread_self());

	return 0;
}

线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助mmap

练习：验证线程之间可以共享全局变量

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

int var = 100;

void *tfn(void *arg)
{
	var = 200;
	printf("thread\n");

	return NULL;
}

int main(void)
{
	printf("At first var = %d\n", var);

	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	sleep(1);

	printf("after pthread_create, var = %d\n", var);

	return 0;
}

• pthread_exit函数

  作用：将单个线程退出

  void pthread_exit(void *retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL

• pthread_join函数

  作用：阻塞等待线程退出，获取线程退出状态 其作用，对应进程中 waitpid() 函数。

  int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失败：错误号

  参数：

  • thread：线程ID
  • retval：存储线程结束状态

  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：

  • 1.如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
  • 2.如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
  • 3.如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
  • 4.如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。

练习：参数retval的非空用法

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

typedef struct {
	int a;
	int b;
} exit_t;

void *tfn(void *arg)
{
	exit_t *ret;
	ret = malloc(sizeof(exit_t)); 

	ret->a = 100;
	ret->b = 300;

	pthread_exit((void *)ret);
}

int main(void)
{
	pthread_t tid;
	exit_t *retval;

	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);

	/*调用pthread_join可以获取线程的退出状态*/
	pthread_join(tid, (void **)&retval);      //wait(&status);
	printf("a = %d, b = %d \n", retval->a, retval->b);

	return 0;
}

练习：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收

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

int var = 100;

void *tfn(void *arg)
{
    int i;
    i = (int)arg;
    
    sleep(i);
    if (i == 1) {
        var = 333;
        printf("var = %d\n", var);
        return (void *)var;

    } else  if (i == 3) {
        var = 777;
        printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);
        pthread_exit((void *)var);

    } else  {
        printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);
        pthread_exit((void *)var);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid[5];
    int i;
    int *ret[5];  

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(tid[i], (void **)&ret[i]);
        printf("-------%d 's ret = %d\n", i, (int)ret[i]);
    }
        
    printf("I'm main pthread tid = %lu\t var = %d\n", pthread_self(), var);

    sleep(i);
    return 0;
}

• pthread_detach函数

  作用：实现线程分离。分离了的线程有什么好处呢？就是在线程结束后会自动回收pcb资源

  int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

  线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。网络、多线程服务器常用。

  进程若有该机制，将不会产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要由于进程死后，大部分资源被释放，一点残留资源仍存于系统中，导致内核认为该进程仍存在。

  也可使用 pthread_create函数第二个参数(线程属性)来设置线程分离。

线程分离实现

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

void *tfn(void *arg)
{
	int n = 3;

	while (n--) {
		printf("thread count %d\n", n);
		sleep(1);
	}

	//return (void *)1;
    pthread_exit((void *)1);
}

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

#if 1

	pthread_attr_t attr;			/*通过线程属性来设置游离态*/
	pthread_attr_init(&attr);
	pthread_attr_setdetachstate(&attr,	PTHREAD_CREATE_DETACHED);
	pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);

#else

	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	pthread_detach(tid);         //让线程分离  ----自动退出,无系统残留资源

#endif

	while (1) {
		err = pthread_join(tid, &tret);
        printf("-------------err= %d\n", err);
		if (err != 0)
			fprintf(stderr, "thread_join error: %s\n", strerror(err));
		else
			fprintf(stderr, "thread exit code %d\n", (int)tret);

		sleep(1);
	}

	return 0;
}

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错误。也就是说，如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

• pthread_cancel函数

  作用：杀死（取消）线程，类似于进程中的kill()函数 int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

  线程的取消并不是实时的，而有一定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)。 类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所(存档点，如：客栈、仓库、城里等)才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点

  取消点：是线程检查是否被取消，并按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..... 执行命令man 7 pthreads可以查看具备这些取消点的系统调用列表

  可粗略认为一个系统调用(进入内核)即为一个取消点。如线程中没有取消点，可以通过调用pthreestcancel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。可在头文件pthread.h中找到它的定义：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。因此当我们对一个已经被取消的线程使用pthread_join回收时，得到的返回值为-1。

练习：终止线程的三种方法，注意“取消点”的概念

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


void *tfn1(void *arg)
{
	printf("thread 1 returning\n");

	return (void *)111; 
}

void *tfn2(void *arg)
{
	printf("thread 2 exiting\n");
	pthread_exit((void *)222);
}

void *tfn3(void *arg)
{
	while (1) {
		//printf("thread 3: I'm going to die in 3 seconds ...\n");
		//sleep(1);

		pthread_testcancel();	//自己添加取消点*/
	}

    return (void *)666;
}

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

	pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 1 exit code = %d\n\n", (int)tret);

	pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 2 exit code = %d\n\n", (int)tret);

	pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
	sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 3 exit code = %d\n", (int)tret);

	return 0;
}

• 终止线程的方式：

  总结：终止某个线程而不终止整个进程，有三种方法：

  • 1.从线程主函数return。这种方法对主控线程不适用，从main函数return相当于调用exit。
  • 2.一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
  • 3.线程可以调用pthread_exit终止自己。

• pthread_equal函数

  作用：比较两个线程ID是否相等。

  int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

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
    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
    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;

主要结构体成员：

• 1. 线程分离状态
• 2. 线程栈大小（默认平均分配）// ulimit -a 可以查看进程栈（所有线程均分栈空间）
• 3. 线程栈警戒缓冲区大小（位于栈末尾）

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。 线程属性主要包括如下属性：作用域（scope）、栈尺寸（stack size）、栈地址（stack address）、优先级（priority）、分离的状态（detached state）、调度策略和参数（scheduling policy and parameters）。默认的属性为非绑定、非分离、缺省的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

线程属性初始化

注意：应先初始化线程属性，再pthread_create创建线程
初始化线程属性
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号
销毁线程属性所占用的资源
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号

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，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。
线程分离状态的函数：
设置线程属性，分离or非分离
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate); 
获取程属性，分离or非分离
 	int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate); 
	参数：	attr：已初始化的线程属性
detachstate：	PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）
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。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。

线程的栈地址

POSIX.1定义了两个常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR 和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE检测系统是否支持栈属性。也可以给sysconf函数传递_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或 _SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE来进行检测。
当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。通过pthread_attr_setstack和pthread_attr_getstack两个函数分别设置和获取线程的栈地址。
int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize); 成功：0；失败：错误号
int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize); 成功：0；失败：错误号
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

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。
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize); 成功：0；失败：错误号
int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize); 成功：0；失败：错误号
参数：	attr：指向一个线程属性的指针
stacksize：返回线程的堆栈大小

线程属性控制示例

#include <pthread.h>

#define SIZE 0x100000
void *th_fun(void *arg)
{
	while (1) 
		sleep(1);
}
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);
	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 unknown\n");

	pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

	while (1) {
//在堆上申请线程运行所需的栈空间
		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;
}	

NPTL

• 1.察看当前pthread库版本getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
• 2.NPTL实现机制(POSIX)，Native POSIX Thread Library
• 3.使用线程库时gcc指定 –lpthread

线程使用注意事项

• 1.主线程退出其他线程不退出，主线程应调用pthread_exit
• 2.避免僵尸线程 pthread_join pthread_detach pthread_create指定分离属性 被join线程可能在join函数返回前就释放完自己的所有内存资源，所以不应当返回被回收线程栈中的值;
• 3.malloc和mmap申请的内存可以被其他线程释放
• 4.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，其他线程在子进程中均pthread_exit
• 5.信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程引入信号机制