Linux系统编程（十一）线程、线程控制

线程

一、线程概念：

线程概念

  • ps -eLf 查看线程号（cpu 执行的最小单位）

ps_Lf

最小执行单元

二、Linux内核线程实现原理

线程实现原理

三、三级映射（三级页表）

进程PCB-->页面（可看成数组，首地址位于PCB中）--》页表--》页目录（物理页表）--》内存单元

参考：《Linux内核源代码情景分析》 ---毛德操

三级映射

线程实现原理-2

四、线程共享资源

线程共享资源

五、线程非共享资源

线程非共享资源

六、线程优缺点

线程优缺点

线程控制原语

一、pthread_self函数

线程ID：用来表示线程身份的id号

线程号（LWP）：内核用来将线程作为进程看待

pthread_t pthread_self(void);	
	
	获取线程id。 线程id是在进程地址空间内部，用来标识线程身份的id号。

	返回值：本线程id（unsigned long类型）

二、pthread_create函数

int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_rountn)(void *), void *arg); //创建子线程。

	参1：传出参数，表新创建的子线程 id

	参2：线程属性。传NULL表使用默认属性。（线程状态：大小、优先级等）

	参3：子线程回调函数。创建成功，ptherad_create函数返回时，该函数会被自动调用。
	
	参4：参3的参数。没有的话，传NULL

	返回值：成功：0

		失败：返回errno
	
	编译时需要引入动态库 -lpthread

示例1：循环创建N个子线程：

void *tfn(void* arg)
{
        int i = (int)arg;
        sleep(i);
        if(i == 2)
         pthread_exit(NULL);//退出当前线程
        printf("--%dth pthread,pid=%d,tid=%lu\n", i+1,getpid(),pthread_self());
        return NULL;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
        int i;
        int ret;
        pthread_t tid;
        for(i=0; i<5; i++)
        {
                ret = pthread_create(&tid,NULL,tfn,(void *)i);// 栈是不共享的，将 int 类型 i， 强转成 void *， 传参采用值传递
                if(ret != 0)
                {
                        perror("pthread_create error");
                        exit(1);
                }
        }
        sleep(i);
        printf("main,pid=%d,tid=%lu\n", getpid(),pthread_self());
        return 0;
}

循环创建子线程-错误分析

示例2：线程共享全局变量

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。

进程不共享全局变量，只能借助mmap

int var = 100;
void* ftn(void* arg)
{
        printf("child,pid=%d, tid=%lu, var=%d\n", getpid(),pthread_self(),var);
        var = 200;
        pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
        pthread_t tid;
        int ret;

        ret = pthread_create(&tid,NULL,ftn,NULL);
        if(ret!=0)
        {
                perror("pthread_create error");
                exit(1);
        }
        sleep(1);
        printf("main,var = %d\n",var);//全局变量共享
        return 0;
}

三、pthread_exit函数

void pthread_exit(void *retval);  退出当前线程。

	retval：退出值：返回线程，通常传NULL。
	
三种退出的区别：

	exit();	退出当前进程。//exit(0)表示正常退出

	return: 返回到函数调用者那里去。

	pthread_exit(): 退出当前线程。

注意：
	
	（1）多线程环境中，应尽量不使用exit函数，应该使用pthread_exit函数。
	
	（2）其它线程未结束，主线程不能return或exit。
	
	（3）在子线程中使用pthread_exit或return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时，线程函数已经退出了。

四、pthread_join函数

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); //阻塞等待并回收线程，获取线程退出状态。

	thread: 待回收的线程id

	retval：传出参数。 回收的子线程的return退出值。

		线程异常借助，值为 -1。

	返回值：成功：0

		失败：errno

示例1：pthread_join函数的使用及注意事项

//pthread_join.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

struct thrd {
    int var;
    char str[256];
};

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}
/*
void *tfn(void *arg)
{
    struct thrd *tval;

    tval = malloc(sizeof(tval));//1、在堆区创建变量
    tval->var = 100;
    strcpy(tval->str, "hello thread");

    return (void *)tval;
}
*/
/*
void *tfn(void *arg)
{
     struct thrd tval;              //2、局部变量地址,不可做返回值

    tval.var = 100;
    strcpy(tval.str, "hello thread");

    return (void *)&tval;
}
*/ 
void *tfn(void *arg)
{
    struct thrd *tval = (struct thrd *)arg;

    tval->var = 100;
    strcpy(tval->str, "hello thread");

    return (void *)tval;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid;

    struct thrd arg;//3、可以在main函数创建变量
    struct thrd *retval;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)&arg);
    if (ret != 0)
        sys_err("pthread_create error");

    //int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
    ret = pthread_join(tid, (void **)&retval);
    if (ret != 0)
        sys_err("pthread_join error");

    printf("child thread exit with var= %d, str= %s\n", retval->var, retval->str);
    
    pthread_exit(NULL);

}

示例2：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收（使用数组）

//pthrd_loop_join.c
#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;
}

五、pthread_detach函数

int pthread_detach(pthread_t thread);		设置线程分离

	thread: 待分离的线程id

	返回值：成功：0

		失败：errno	--- 线程报错直接返回错误号，不能使用perror，需使用strerror函数。

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

（2）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重，导致内核认为该进程仍存在。

（3）也可使用`pthread_create`函数的参2（线程属性）来设置线程分离。

（4）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`无效错误。

（5）使用pthread_join回收失败，说明分离成功

示例：pthread_detach的使用

//pthread_detach.c
void *tfn(void *arg)
{
    printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }
    ret = pthread_detach(tid);              // 设置线程分离` 线程终止,会自动清理pcb,无需回收
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_detach error: %s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }

    sleep(1);

    ret = pthread_join(tid, NULL);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }

    printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());

    pthread_exit((void *)0);
}

六、pthread_cancel函数

int pthread_cancel(pthread_t thread);//杀死一个线程。

	thread: 待杀死的线程id
	
	返回值：成功：0，成功被 pthread_cancel()杀死的线程，无法使用pthread_join回收，返回 #define PTHREAD_CANDELED ((void *)-1)（表示非正常死亡）。使用pthead_join 回收

		失败：errno
		
注意：

	（1）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）。如果，子线程没有到达取消点， 那么 pthread_cancel 无效。

	（2）** 可粗略认为一个系统调用（进入内核）即为一个取消点。

	（3）我们可以在程序中，手动添加一个取消点。使用 pthread_testcancel();

示例：pthread_cancel的使用

//pthread_cancel.c
void* ftn(void* arg)
{
        while(1)
        {
                printf("child,tid=%lu\n", pthread_self());
                sleep(1);
                pthread_testcancel();//可以使用这个函数进行测试，进内核
        }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
        pthread_t tid;
        int ret;
        ret = pthread_create(&tid,NULL,ftn,NULL);
        if(ret != 0)
        {
                fprintf(stderr,"pthread_create err:%s",strerror(ret));
        }
        sleep(5);
        ret = pthread_cancel(tid);//需要到达一个取消点才能杀死线程,进内核
        if(ret != 0)
        {
                fprintf(stderr, "pthread_cancel err:%s", strerror(ret));
        }
         pthread_join(tid,&tret);
         printf("pthread_join,tret=%d\n",(int)tret);//cancel后，无法使用join回收，返回-1

        return 0;
}

七、检查错误返回

检查出错返回：  线程中，只能使用strerror函数

fprintf(stderr, "xxx error: %s\n", strerror(ret));

八、进程和线程控制原语对比

线程控制原语进程控制原语用途
pthread_create()fork();创建
pthread_self()getpid();获取
pthread_exit()exit()/return退出
pthread_join()wait()/waitpid()回收
pthread_cancel()kill()杀死
pthread_detach()分离

九、设置线程属性（通过函数设置属性）

线程属性

pthread_attr_t attr  	创建一个线程属性结构体变量

pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);	初始化线程属性

pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);//获取线程属性

pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);//设置线程属性

detachstate:
	
	PTHREAD_CREATE_DETACHED--分离线程
	
	PTHREAD_CREATE_JOINABLE--非分离线程（默认）

pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL); 借助修改后的 设置线程属性 创建为分离态的新线程

pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);	销毁线程属性

示例：pthread_create中分离属性的使用

//pthrd_attr_detach.c
void *tfn(void *arg)
{
    printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid;

    pthread_attr_t attr;

    int ret = pthread_attr_init(&attr);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "attr_init error:%s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }

    ret = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);      // 设置线程属性为 分离属性
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "attr_setdetachstate error:%s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }

    ret = pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
    if (ret != 0) {
        perror("pthread_create error");
    }

    ret = pthread_attr_destroy(&attr);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "attr_destroy error:%s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }

    ret = pthread_join(tid, NULL);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "pthread_join error:%s\n", strerror(ret));
        exit(1);
    }

    printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());

    pthread_exit((void *)0);
}

线程同步问题： 如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它可能在pthread_create函数返回之前就终止了；它终止之后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_timewait函数，设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但注意不要使用诸如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。

十、线程使用注意事项

线程使用注意事项
多线程fork进程

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