Linux系統編程——線程（1）

目錄

• 線程概要
  • Linux內核線程實現原理
  • 線程的共享/不共享資源
  • 線程優缺點
• 線程控制原語
  • pthread_self
  • pthread_create
  • pthread_exit
  • pthread_join
  • pthread_cancel
  • 終止線程方式
  • 控制原語對比

前情提要： Linux用戶級線程和內核級線程區別

線程概要

Linux內核線程實現原理

類Unix系統中，早期是沒有“線程”概念的，80年代才引入，借助進程機制實現出了線程的概念。因此在這類系統中，進程和線程關系密切。

1. 輕量級進程(light-weight process)，也有PCB，創建線程使用的底層函數和進程一樣，都是clone

2. 從內核里看進程和線程是一樣的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向內存資源的三級頁表是相同的

3. 進程可以蛻變成線程

4. 線程可看做寄存器和棧的集合

5. 在linux下，線程最是小的執行單位；進程是最小的分配資源單位

查看線程命令：ps -elf|grep thread

三級映射：進程PCB --> 頁目錄(可看成數組，首地址位于PCB中) --> 頁表 --> 物理頁面 --> 內存單元

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線程的共享/不共享資源

線程共享資源	線程不共享資源
文件描述符表	線程id
每種信號的處理方式	處理器現場和棧指針（內核棧）
當前工作目錄	獨立的棧空間（用戶空間棧）
用戶ID和組ID	errno變量
內存地址空間(.text/.data/.bss/heap/共享庫)	信號屏蔽字
	調度優先級

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線程優缺點

優點： 1. 提高程序并發性 2. 開銷小 3. 數據通信、共享數據方便

缺點： 1. 庫函數，不穩定 2. 調試、編寫困難、gdb不支持 3. 對信號支持不好

線程控制原語

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pthread_self

獲取線程ID。其作用對應進程中 getpid() 函數。

? pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失敗：無！

? 線程ID：pthread_t類型，本質：在Linux下為無符號整數(%lu)，其他系統中可能是結構體實現

? 線程ID是進程內部，識別標志。(兩個進程間，線程ID允許相同)

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pthread_create

創建一個新線程。 其作用，對應進程中fork() 函數。

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

? 返回值：成功：0； 失敗：錯誤號 -----Linux環境下，所有線程特點，失敗均直接返回錯誤號。

參數：

? pthread_t：當前Linux中可理解為：typedef unsigned long int pthread_t;

參數1：傳出參數，保存系統為我們分配好的線程ID

? 參數2：通常傳NULL，表示使用線程默認屬性。若想使用具體屬性也可以修改該參數。

? 參數3：函數指針，指向線程主函數(線程體)，該函數運行結束，則線程結束。

? 參數4：線程主函數執行期間所使用的參數。

練習：創建一個新線程，打印線程ID。注意：鏈接線程庫 -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;
}

線程默認共享數據段、代碼段等地址空間，常用的是全局變量，或者傳參形式。而進程不共享全局變量，只能借助mmap。

全局變量：

#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;
}

傳參：

#include <func.h>void *tfn(void *arg){int* var = (int*)arg;*var = 200;printf("thread\n");return NULL;
}int main()
{int var = 100;printf("At first var = %d\n", var);pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, tfn, &var);sleep(1);printf("after pthread_create, var = %d\n", var);return 0;
}

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pthread_exit

作用：將單個線程退出

? void pthread_exit(void *retval); 參數：retval表示線程退出狀態，通常傳NULL

線程中，**禁止使用exit函數，會導致進程內所有線程全部退出**。所以，多線程環境中，應盡量少用，或者不使用exit函數，取而代之使用pthread_exit函數，將單個線程退出。任何線程里exit導致進程退出，其他線程未工作結束，主控線程退出時不能return或exit。

另注意，pthread_exit或者return返回的指針所指向的內存單元必須是全局的或者是用malloc分配的，不能在線程函數的棧上分配，因為當其它線程得到這個返回指針時線程函數已經退出了。

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pthread_join

阻塞等待線程退出，獲取線程退出狀態 其作用，對應進程中 waitpid() 函數。

? int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失敗：錯誤號

? 參數：thread：線程ID （【注意】：不是指針）；retval：存儲線程結束狀態。

? 對比記憶：

? 進程中：main返回值、exit參數-->int；等待子進程結束 wait 函數參數-->int *

? 線程中：線程主函數返回值、pthread_exit-->void *；等待線程結束 pthread_join 函數參數-->void **

調用該函數的線程將掛起等待，直到id為thread的線程終止。thread線程以不同的方法終止，通過pthread_join得到的終止狀態是不同的，總結如下：

1. 如果thread線程通過return返回，retval所指向的單元里存放的是thread線程函數的返回值。

2. 如果thread線程被別的線程調用pthread_cancel異常終止掉，retval所指向的單元里存放的是常數PTHREAD_CANCELED。

3. 如果thread線程是自己調用pthread_exit終止的，retval所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數。

4. 如果對thread線程的終止狀態不感興趣，可以傳NULL給retval參數。

#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);/*調用pthread_join可以獲取線程的退出狀態*/pthread_join(tid, (void **)&retval);      //wait(&status);printf("a = %d, b = %d \n", retval->a, retval->b);return 0;
}

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pthread_cancel

殺死(取消)線程 其作用，對應進程中 kill() 函數。

? int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失敗：錯誤號

? 【注意】：線程的取消并不是實時的，而有一定的延時。需要等待線程到達某個取消點(檢查點)。

? 類似于玩游戲存檔，必須到達指定的場所(存檔點，如：客棧、倉庫、城里等)才能存儲進度。殺死線程也不是立刻就能完成，必須要到達取消點。

? 取消點：是線程檢查是否被取消，并按請求進行動作的一個位置。通常是一些系統調用creat，open，pause，close，read，write..... 執行命令man 7 pthreads可以查看具備這些取消點的系統調用列表。也可參閱 APUE.12.7 取消選項小節。

可粗略認為一個系統調用(進入內核)即為一個取消點。如線程中沒有取消點，可以通過調用pthreestcancel函數自行設置一個取消點。

被取消的線程， 退出值定義在Linux的pthread庫中。常數PTHREAD_CANCELED的值是-1。可在頭文件pthread.h中找到它的定義：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。因此當我們對一個已經被取消的線程使用pthread_join回收時，得到的返回值為-1。

終止線程的三種方法。注意“取消點”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();   //自己添加取消點*/}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;
}

終止線程方式

總結：終止某個線程而不終止整個進程，有三種方法：

1. 從線程主函數return。這種方法對主控線程不適用，從main函數return相當于調用exit。

2. 一個線程可以調用pthread_cancel終止同一進程中的另一個線程。

3. 線程可以調用pthread_exit終止自己。

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控制原語對比

? 進程 線程

? fork pthread_create

? exit pthread_exit

? wait pthread_join

? kill pthread_cancel

? getpid pthread_self 命名空間