Linux 線程：從零構建多線程應用：系統化解析線程API與底層設計邏輯

線程

線程的概述

在之前，我們常把進程定義為程序執行的實例，實際不然，進程實際上只是維護應用程序的各種資源，并不執行什么。真正執行具體任務的是線程。

那為什么之前直接執行a.out的時候，沒有這種感受呢？

那是因為每一個進程中都會有一個主線程，我們默認執行的就是這個主線程。

線程創建比進程簡單

進程通過返回值確定是哪塊進程的代碼。

線程不需要，創建一個線程，比較簡單，像回調函數一樣，調用線程創建函數，在對應函數體中操作這一線程即可。

從這往下的概述部分重點（理解背誦）

進程是系統分配資源的基本單位，線程是CPU執行基本調度的基本單位

比如如果線程是具體某個人，那么進程就是指部門

線程可以看作一個輕量級的進程（LWP：light weight process），在Linux環境下線程的本質仍是進程。

進程必須至少包含一個線程

線程依賴于進程，線程共享進程的資源，線程的系統資源有（計數器，一組寄存器和棧）

進程結束?當前進程的所有線程都將立即結束

Linux內核是不區分進程和線程的，只有在用戶層面上進行區分。所以，進程所有操作函數pthread*是庫函數，而并非系統調用

線程共享資源

文件描述符
每種信號的處理方式
當前工作目錄
用戶ID和組ID 內存地址空間

線程非共享資源

線程id
處理器現場和棧指針
獨立的棧空間
errno變量
信號屏蔽字
調度優先級

線程被CPU調度，因此線程中有調度優先級，且線程間不共享

查看指定進程的線程號的命令：ps -Lf pid（進程號）

線程的API

API介紹用的代碼較簡短的代碼我用圖片展示。

只要看到了pthread.h 頭文件，我們在編譯的時候就需要加上 -lpthread

pthread_t 是無符號長整型

1、查看線程號

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);

功能：

????????查看線程號

參數：

????????無參

返回值：

????????調用該函數的線程的線程ID

代碼演示

代碼運行結果

線程ID（通過pthread_self得到）和 IPW（輕量級進程）的區別

大家看這張圖，可以看到這兩個值有明顯的區別

在Linux中，線程就是LWP（輕量級進程），全局唯一，由操作系統內核分配，用于系統調度和資源管理。

而

線程ID呢僅在同一進程內有效，是抽象標識符。由?pthread 庫在進程內維護。

2、創建線程

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread,

????????????????????????????????const pthread_attr_t *attr,

????????????????????????????????void *(*start_routine) (void *),

????????????????????????????????void *arg);

功能：

????????創建一個線程

參數：

????????thread：線程標識符地址

????????attr：線程屬性結構體地址，通常設置為NULL

????????????????屬性這個參數，我們現在填寫NULL，下面我會詳細說一下這個參數。

????????start_routine：線程函數的入口地址

????????arg：傳遞給線程函數的參數

返回值：

????????成功：0

????????失敗：非0

代碼演示案例1

注意這里主進程一定要阻塞，因為進程結束，線程也會關閉

代碼運行結果

案例二創建進程，每個線程有自己的線程函數

代碼運行結果是一樣的，大家只要知道能夠這樣用就可以了。

3、回收線程函數

函數介紹

功能：

????????等待線程結束（此函數會阻塞），并回收線程資源。如果線程已結束，那么該函數會立即返回。

參數：

????????thread：被等待的進程的進程ID

????????retval：用來存儲線程退出狀態的指針的地址

????????這里細說一下：retval的返回值類型我們可以看到是void **，這個變量需要用戶創建，用來存儲創建函數線程執行函數的返回值，返回值時void*類型。由于我們要得到它，就要提前創建一個void *的變量，再通過函數修改我們創建的變量為返回值的內容，由于是函數內部要函數外部的變量的值，因此需要傳遞所創建void *的變量的地址，因此時void **類型。

返回值：

????????成功：0

????????失敗：非0

代碼演示

代碼運行結果

注意

由于帶阻塞，因此有順序，如下面這種情況

先等待tid1結束，回收tid1后，才會回收tid2

不管誰先結束，都是先1 后2

進程分離

創建好線程后，當多個任務同時進行，用上面的方法，會阻塞線程的釋放，導致資源浪費（長時間不適用卻霸占內存），因此這里我們就將其分離出去，把釋放工作交給系統，系統發現它結束，就會釋放

由于它的歸屬權已經歸于系統，此時我們就不可以再對它使用join

注意這里的分離，并不是該線程不依賴于進程，而是將釋放線程獨立資源的權限交給了系統，進程還是依賴與進程的，依舊共享進程的空間

函數介紹

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t thread);

功能：

????????使調用線程的獨立資源回收工作與當前進程分離

參數：

????????thread：線程ID

返回值：

????????成功：0

????????失敗：非零

代碼演示主線程和子線程

本代碼將實現主線程和子線程一起運行，并且利用主線程的正常工作，來驗證pthread_detach的不阻塞的特性

代碼運行結果

4、線程的取消和退出

????????注意要退出線程一定不要調用exit或者_exit 這兩個是退出進程的函數，如果調用這個在線程中知道你的進程是什么，它會將進程退出，進程退出會導致所有的線程退出，那么我們該怎么讓單個線程退出呢？

1、線程的退出（自殺）

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *retval);

函數功能：

????????退出調用線程。一個進程中的多個線程是共享該進程的數據段的，因此通常線程退出后，所占用的資源并不會釋放。

參數：

????????retval：存儲線程退出狀態的指針（return后的數據）

返回值：

????????無

2、線程的取消（他殺）

取消本線程，也可以取消當前進程的其他線程

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread);

功能：

????????退出調用線程。一個進程中的多個線程是共享該進程的數據段的，因此通常線程退出后，所占用的資源并不會釋放。

參數：

????????thread：目標線程ID

返回值：

????????成功：0

????????失敗：出錯編號

注意

????????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。

代碼演示：

代碼功能：子線程1實現5s后自殺，子線程2在7s時殺死子線程3，子線程2在10s時殺死自己。

這里我們會與遇到一個問題：當我們在線程2 中，我們首先需要傳入本線程的名字（線程2），還需要傳入子線程3的線程ID，我們該如何實現傳兩個參數呢？

答案在代碼中，大家自己查看。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>//傳遞兩個參數的辦法就是借助結構體，將線程名和ID作為結構體成員后，將結構體傳入 線程調用函數 中即可
//并且如果要實現tid3的修改同步到結構體內，需要傳遞tid3的指針類型
typedef struct dataDouble
{char name[32];pthread_t *id;
}DATA;//線程調用函數聲明
void *my_fun1(void *arg);
void *my_fun2(void *arg);
void *my_fun3(void *arg);
int main(int argc, char const *argv[])
{//創建線程ID遍歷（存放線程ID）pthread_t tid1,tid2,tid3;DATA *tid2_data = (DATA *)calloc(1,sizeof(DATA));tid2_data->id = &tid3;strcpy(tid2_data->name,"子進程2");//創建線程pthread_create(&tid1,NULL,my_fun1,(void *)"子線程1");pthread_create(&tid2,NULL,my_fun2,(void *)tid2_data);pthread_create(&tid3,NULL,my_fun3,(void *)"子線程3");//釋放線程pthread_detach(tid1);pthread_detach(tid2);pthread_detach(tid3);//阻塞進程while(1);//釋放結構體申請空間，一定要在全部線程結束之后free(tid2_data);return 0;
}
//線程調用函數體實現
void *my_fun1(void *arg)//線程1 在5s的時候自殺
{int i = 0;while(1){sleep(1);printf("----%s的運行時間為：%d\n",(char *)arg,++i);if(i == 5){pthread_exit(NULL);}}
}
void *my_fun2(void *arg)//線程2 在7s的時候殺死線程3，在10s的時候自殺（使用cancel）
{DATA data = *(DATA *)arg;int i = 0;while(1){sleep(1);printf("--------%s的運行時間為：%d\n",data.name,++i);if(i == 7){pthread_cancel(*data.id);}if(i == 10){pthread_cancel(pthread_self());}}
}
void *my_fun3(void *arg)
{int i = 0;while(1){sleep(1);printf("------------%s的運行時間為：%d\n",(char *)arg,++i);}
}

代碼運行結果