Linux之线程控制

目录

一、POSIX线程库

二、线程的创建

三、线程等待

四、线程终止

五、分离线程

六、线程ID：pthread_t

1、获取线程ID

2、pthread_t

七、线程局部存储：__thread

一、POSIX线程库

由于Linux下的线程并没有独立特有的结构，所以Linux并没有提供线程相关的接口。

而我们所说的，pthread线程库是应用层的原生线程库。这个线程库并不是系统接口直接提供的，而是由第三方帮我们提供的。

1、与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以“pthread_”打头的
2、要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h>
3、链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项

二、线程的创建

pthread_create：其功能就是创建线程。

NAME
       pthread_create - create a new thread

SYNOPSIS
       #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.

参数说明：

thread：获取创建成功的线程ID，该参数是一个输出型参数。

attr：用于设置创建线程的属性，传入nullptr表示使用默认属性。(我们一般不关心，直接设为nullptr)

start_routine：该参数是一个函数指针，表示线程启动后要执行的函数。

arg：传给线程执行函数的参数。

返回值：线程创建成功返回0，失败返回错误码。返回值也可以自己设置，返回给主线程。主线程通过pthread_join获取。

主线程：当一个程序启动时，就有一个进程被操作系统创建，与此同时一个线程也立刻运行，这个线程就叫做主线程。

下面我们让主线程调用pthread_create函数创建一个新线程：

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

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    cout << "new thread pid: " << getpid() << "\n"
         << endl;

    sleep(20);
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread 1");

    while (true)
    {
        cout << "main thread pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

 

使用ps -aL命令，可以显示当前的轻量级进程。

从上图，我们看到两个线程的PID相同，说明他们属于同一个进程。但是他们的LWP值不同，说明他们是两个不同的线程。LWP就是轻量级进程的ID。

注：在Linux中，线程与内核的LWP是一一对应的，实际上操作系统调度的时候是根据LWP调度的，而不是PID，只不过我们之前接触到的都是单线程进程，其PID和LWP是相等的，所以对于单线程进程来说，调度时采用PID和LWP是一样的。

我们也可以让一个主线程创建多个新线程

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    string name = (char *)argc;
    while (true)
    {
        cout << name << "---"
             << "pid: " << getpid() << "\n"
             << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
        pthread_create(tid + i, nullptr, thread_run, (void *)name);
        sleep(1);
    }

    while (true)
    {
        cout << "main thread pid: " << getpid() << endl;
        sleep(3);
    }

    return 0;
}

因为主线程和五个新线程都属于同一个进程，所以它们的PID都是一样的。 

三、线程等待

一个线程被创建出来，那么这个线程就如同进程一般，也是需要被等待的。如果主线程不对新线程进行等待，那么这个新线程的资源也是不会被回收的。如果不等待会产生类似于“僵尸进程”的问题，也就会造成内存泄漏。所以线程需要被等待。

pthread_join：其功能就是进行线程等待

NAME
       pthread_join - join with a terminated thread

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

       int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

       Compile and link with -pthread.

参数说明：

thread：被等待线程的ID。
retval：线程退出时的退出码信息。

返回值：线程等待成功返回0，失败返回错误码。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    int count = 10;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit" << endl;
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    pthread_join(tid, nullptr);
    cout << "main thread wait done ... quit" << endl;

    return 0;
}

第二个参数是用来获取新线程返回值的。主线程可以通过新线程的返回值拿到新线程的计算结果（该结果也可以保存在堆空间上）

include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    int count = 10;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit" << endl;
    return (void *)10;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    void *ret = nullptr;
    pthread_join(tid, &ret);
    cout << "main thread wait done ... quit"
         << " " << (long long)ret << endl;

    return 0;
}

四、线程终止

return：最简单的终止线程的方式，就是使用return返回一个返回值来终止线程。

pthread_exit：其功能就是终止一个线程。（终止线程不能使用exit，因为它是用来终止进程的）

参数，retval：设置退出结果。

NAME
       pthread_exit - terminate calling thread

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

       void pthread_exit(void *retval);

       Compile and link with -pthread.
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    int count = 10;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit" << endl;
    pthread_exit((void*)17);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    void *ret = nullptr;
    pthread_join(tid, &ret);
    cout << "main thread wait done ... quit"
         << " " << (long long)ret << endl;

    return 0;
}

 

pthread_cancel：其功能是取消一个线程。

参数，thread：线程ID。

NAME
       pthread_cancel - send a cancellation request to a thread

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

       int pthread_cancel(pthread_t thread);

       Compile and link with -pthread.
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    string name = (char *)argc;
    int count = 10;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit" << endl;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    void *ret = nullptr;
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, &ret);
    cout << "main thread wait done ... quit"
         << " " << (long long)ret << endl;

    return 0;
}

 

线程被取消，线程等待时获取的退出码为-1。 

五、分离线程

新线程退出后，主线程需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成内存泄漏。
但如果主线程不关心新线程的返回值，此时我们可以将该新线程进行分离，后续当新线程退出时就会自动释放线程资源。

一个线程如果被分离了，这个线程依旧要使用该进程的资源，依旧在该进程内运行，甚至这个线程崩溃了一定会影响其他线程，只不过这个线程退出时不再需要主线程去join了，当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。

pthread_detach：其功能就是进行分离线程。一般是线程自己分离。

int pthread_detach(pthread_t thread);

参数说明：thread：被分离线程的ID。

返回值说明：

线程分离成功返回0，失败返回错误码。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    int count = 10;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit" << endl;
    pthread_exit((void*)17);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    void *ret = nullptr;
    cout << "main thread wait done ... quit"
         << " " << (long long)ret << endl;

    return 0;
}

 如果我们在线程分离了之后，任然等待，会怎么样呢？

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    int count = 9;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit" << endl;
    pthread_exit((void *)17);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    sleep(2);
    int n = pthread_join(tid, nullptr);
    cout << "n: " << n << "errstring: " << strerror(n) << endl;

    return 0;
}

六、线程ID：pthread_t

pthread_create函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中，该线程ID和内核中的LWP是完全不一样的。内核中的LWP属于进程调度的范畴，需要一个数值来唯一表示该线程。

那么pthread_t到底是什么类型呢？

1、获取线程ID

pthread_self：获取线程的ID。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h>

using namespace std;

void *thread_run(void *argc)
{
    int count = 9;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        if (count++ == 10)
            break;
    }

    cout << "new thread  done ... quit"
         << "new thread ID: " << pthread_self() << endl;
    pthread_exit((void *)17);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
    void *ret = nullptr;
    sleep(2);
    cout << "main thread ID: " << pthread_self() << endl;
    pthread_join(tid, &ret);

    return 0;
}

为什么线程的ID数值这么大呢？下面我们就来讲一讲。 

2、pthread_t

进程运行时线程动态库被加载到内存，然后通过页表映射到进程地址空间中的共享区，此时该进程内的所有线程都是能看到这个动态库的。

其中主线程采用的栈是进程地址空间中原生的栈，而其余线程采用的栈就是由线程库帮我们在共享区中开辟的。

线程库给每个新线程提供属于自己的struct pthread，当中包含了对应线程的各种属性；每个线程还有自己的线程局部存储，当中包含了对应线程被切换时的上下文数据。其中，还有线程栈。如下图：

所以，线程ID本质就是进程地址空间共享区上对应的struct pthread的虚拟地址。 

七、线程局部存储：__thread

假设有一个全局变量：g_val。我们知道，各个线程是共享全局变量的。不同的线程可以对同一个全局变量进行操作。那么如果我们想让每个线程都拥有属于自己的g_val，那么我们可以加上关键字：__thread。这种现象就叫做线程局部存储。

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