【Linux】—— 线程控制的基本介绍

目录

（一）POSIX线程库

（二）创建线程

2.1 线程ID及进程地址空间布局

（三）线程终止

（四）分离线程

（一）POSIX线程库

POSIX线程库（POSIX Threads Library），通常简称为Pthreads，是一个为POSIX操作系统（包括UNIX和类UNIX系统如Linux）提供线程支持的库。Pthreads定义了一组API，允许程序员创建、管理、同步和销毁线程。 

  • 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
  • 要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h>
  • 链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项

（二）创建线程

【函数介绍】 

功能：创建一个新的线程

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

参数
    thread:返回线程ID
    attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性
    start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数
    arg:传给线程启动函数的参数

返回值：成功返回0；失败返回错误码

错误检查：

  1. 对于Pthreads函数，如果调用失败，通常会返回一个非零的错误代码，你可以使用这个错误代码来查询具体是什么错误发生了。为了将错误代码映射到人类可读的错误消息，你可以使用strerror或pthread_strerror函数（如果可用）。

  2. 另外，Pthreads库确实为每个线程提供了一个私有的errno变量，这允许线程安全地访问errno。然而，对于Pthreads函数本身来说，直接检查返回值通常是更好的做法，因为这样可以避免任何可能的线程间干扰，并且通常更加高效。

 【代码示例】 

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

using namespace std;

int g_val = 0; 

void *threadRun1(void *args)
{
    while (true)
    {
        sleep(1);
        cout << "t1 thread..." << getpid() << " &g_val: " << &g_val << " , g_val: " << g_val << endl;
    }
}

void *threadRun2(void *args)
{
    while (true)
    {
        sleep(1);
        cout << "t2 thread..." << getpid()  << " &g_val: " << &g_val << " , g_val: " << g_val++ << endl;
    }
}

int main()
{
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, nullptr, threadRun1, nullptr);
    pthread_create(&t1, nullptr, threadRun2, nullptr);

    while (true)
    {
        sleep(1);
        cout << "main thread..." << getpid()  << " &g_val: " << &g_val << " , g_val: " << g_val << endl;
    }
}

2.1 线程ID及进程地址空间布局

  1. 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和前面说的线程ID不是一回事。
  2. 前面讲的线程ID属于进程调度的范畴。因为线程是轻量级进程，是操作系统调度器的最小单位，所以需要一个数值来唯一表示该线程。
  3. pthread_ create函数第一个参数指向一个虚拟内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID，属于NPTL线程库的范畴。线程库的后续操作，就是根据该线程ID来操作线程的。
  4. 线程库NPTL提供了pthread_ self函数，可以获得线程自身的ID：

【函数介绍】 

pthread_t pthread_self(void);

错误检查：

  • 如果成功，pthread_self 返回调用线程的线程 ID。如果发生错误，这个函数没有定义错误码返回机制，因为它总是应该成功。

  【代码示例】 

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

using namespace std;

void* threadRun(void* arg) {  
    pthread_t id = pthread_self(); // 获取当前线程的 ID  
    cout << "the thread ID is :  " << id << endl;  
  
    sleep(1);  
  
    return nullptr;  
}  
  
int main() {  
    pthread_t tid;  
    int ret;  
  
    // 创建线程  
    ret = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, nullptr);  
    if (ret != 0) {  
        cerr << "Error: pthread_create() failed with error " << ret << endl;  
        return 1;  
    }  
  
    // 等待线程完成  
    pthread_join(tid, nullptr);  
  
    cout << "Main thread exiting." << endl;  
    return 0;  
}

 pthread_t 到底是什么类型呢？取决于实现。对于Linux目前实现的NPTL实现而言，pthread_t类型的线程ID，本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

（三）线程终止

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程 , 可以有三种方法 :
  • 1. 从线程函数return。这种方法对主线程不适用,从main函数return相当于调用exit。 
#define NUM 10

void *threadrun(void *args)
{
    char *name = (char*)args;
    while (true)
    {
        cout << "new thread run, the new thread name is : " << name   << endl;
        sleep(3);
        break;
    }
    delete name;
    return  nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tids[NUM];
    for(int i= 0; i< NUM; ++i){
        char *tname = new char[64];
        snprintf(tname,64,"thread-%d",i+1);
        pthread_create(tids+i,nullptr,threadrun,tname);
    }

    void *ret = nullptr;
    for(int i= 0; i< NUM; ++i){
        int n = pthread_join(tids[i],nullptr);
        if(n != 0) cerr << "pthread_join error" << endl;

        cout << "thread quit: " <<(uint64_t)ret << endl;
    }
    cout << "all thread quit..."<<endl; 

    return 0;
}
  • 2. 线程可以调用pthread_ exit终止自己。

【函数介绍】 

功能：线程终止
原型
    void pthread_exit(void *value_ptr);
参数
    value_ptr:value_ptr不要指向一个局部变量。

返回值：无返回值，跟进程一样，线程结束的时候无法返回到它的调用者（自身）
  • 需要注意,pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用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。

 【代码示例】 

#define NUM 10

void *threadrun(void *args)
{
    char *name = (char*)args;
    while (true)
    {
        cout << "new thread run, the new thread name is : " << name   << endl;
        sleep(3);
        break;
    }
    delete name;
    pthread_exit((void*)1); 
}

int main()
{
    pthread_t tids[NUM];
    for(int i= 0; i< NUM; ++i){
        char *tname = new char[64];
        snprintf(tname,64,"thread-%d",i+1);
        pthread_create(tids+i,nullptr,threadrun,tname);
    }

    void *ret = nullptr;
    for(int i= 0; i< NUM; ++i){
        int n = pthread_join(tids[i],nullptr);
        if(n != 0) cerr << "pthread_join error" << endl;

        cout << "thread quit: " <<(uint64_t)ret << endl;
    }
    cout << "all thread quit..."<<endl; 

    return 0;
}
  • 3. 一个线程可以调用pthread_ cancel终止同一进程中的另一个线程。

【函数介绍】 

功能：取消一个执行中的线程
原型
    int pthread_cancel(pthread_t thread);
参数
    thread:线程ID

返回值：成功返回0；失败返回错误码

  【代码示例】 

void *threadRun(void* args)
{
    const char*name = static_cast<const char *>(args);

    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        cout << name << " is running: " << cnt-- << " obtain self id: " << pthread_self() << endl;
        sleep(1);
    }

    pthread_exit((void*)11); 

    // PTHREAD_CANCELED; #define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");
    sleep(3);

    pthread_cancel(tid);

    void *ret = nullptr;
    pthread_join(tid, &ret);
    cout << " new thread exit : " << (int64_t)ret << "quit thread: " << tid << endl;
    return 0;
}

【输出结果】（三秒后取消操作）

其次就是在上述代码中，使用了线程等待函数，那为什么需要线程等待？  

  • 已经退出的线程，其空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内。
  • 创建新的线程不会复用刚才退出线程的地址空间。

 【函数介绍】

功能：等待线程结束

原型
    int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

参数
thread:线程ID
value_ptr:它指向一个指针，后者指向线程的返回值

返回值：成功返回0；失败返回错误码
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,value_ ptr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异常终掉,value_ ptr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,value_ptr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value_ ptr参数。

（四）分离线程

  • 默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。
  • 如果不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。

 【函数介绍】

int pthread_detach(pthread_t thread);

【代码示例】 

void* threadRun(void* args) {   
    sleep(2);  
    cout << "线程任务已完成\n";  
    return nullptr;  
}  
  
int main() {  
    pthread_t tid;  
    int ret;  
  
    // 创建线程  
    ret = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, nullptr);  
    if (ret) {  
        cerr << "Error: pthread_create() failed\n";  
        return 1;  
    }  
  
    // 分离线程  
    pthread_detach(tid);  
  
    // 主线程继续执行  
    cout << "主线程继续执行...\n";  
  
    // 主线程休眠一段时间以便观察分离线程的输出  
    sleep(3);  
  
    // 主线程结束，分离线程的资源会在其完成后由系统自动回收  
    return 0;  
}

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