Linux之线程线程控制线程属性
Posted pointerC++
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux之线程线程控制线程属性相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、整体大纲
二、线程相关
1. 什么是线程
LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程(在Linux环境下)
进程：独立地址空间，拥有PCB
线程：也有PCB，但没有独立的地址空间(共享)
区别：在于是否共享地址空间。 独居(进程)；合租(线程)。
Linux下： 线程：最小的执行单位
进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程。
2. Linux内核线程实现原理
（1）线程实现原理
类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。
1）轻量级进程(light-weight process)，也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone
2）从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的
3）进程可以蜕变成线程
4）线程可看做寄存器和栈的集合
5）在linux下，线程最是小的执行单位；进程是最小的分配资源单位
察看LWP号：ps -Lf pid 查看指定线程的lwp号。
三级映射：进程PCB --> 页目录(可看成数组，首地址位于PCB中) --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元
参考：《Linux内核源代码情景分析》 ----毛德操
对于进程来说，相同的地址(同一个虚拟地址)在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但，页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。
但！线程不同！两个线程具有各自独立的PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个PCB共享一个地址空间。
实际上，无论是创建进程的fork，还是创建线程的pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数clone。
如果复制对方的地址空间，那么就产出一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。
因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只在用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数 pthread_* 是库函数，而非系统调用。
（2）线程共享资源
1）文件描述符表
2）每种信号的处理方式
3）当前工作目录
4）用户ID和组ID
5）内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)
（3）线程非共享资源
1）线程id
2）处理器现场和栈指针(内核栈)
3）独立的栈空间(用户空间栈)
4）errno变量
5）信号屏蔽字
6）调度优先级
（4）线程优、缺点
优点：
1）提高程序并发性
2）开销小
3）数据通信、共享数据方便
缺点：
1）库函数，不稳定
2）调试、编写困难、gdb不支持
3）对信号支持不好
优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。
3. 线程控制相关函数
（1）pthread_self函数
获取线程ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。
pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失败：无
线程ID：pthread_t类型，本质：在Linux下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现
线程ID是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程ID允许相同)
注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。
（2）pthread_create函数
创建一个新线程。 其作用，对应进程中fork() 函数。
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
返回值：成功：0； 失败：错误号 -----Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。
参数：
thread 线程的id，传出参数，pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;
attr 代表线程的属性，通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。
第三个参数函数指针 void *func(void *)，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。
arg 线程主函数执行期间所使用的参数。
返回值：
成功返回0
失败返回errno
注意：编译的时候需要加pthread库（Compile and link with -pthread.）
在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行的代码由我们传给pthread_create的函数指针start_routine决定。
start_routine函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine的返回值类型也是void *，这个指针
的含义同样由调用者自己定义。start_routine返回时，这个线程就退出了，其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。
pthread_create成功返回后，新创建的线程的id被填写到thread参数所指向的内存单元。我们知道进程id的类型是pid_t，每个进程的id在整个系统中是唯一的，调用getpid(2)可以获得当前进程的
id，是一个正整数值。线程id的类型是thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地
址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self(3)可以获得当前线程的id。
attr参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考APUE。
练习：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库 -lpthread
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 5 void *thr(void *arg) 6 { 7 printf("I am a thread! pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 8 return NULL; 9 } 10 11 int main() 12 { 13 pthread_t tid; 14 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 15 printf("I am main thread, pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 16 sleep(1); 17 18 return 0; 19 }
由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的办法。
练习：循环创建多个线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程。(类似于进程循环创建子进程)
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <string.h> 6 7 void *thr(void *arg) 8 { 9 int num = (int)arg; 10 printf("I am %d thread, self = %lu\\n", num, pthread_self()); 11 12 return (void *)(100 + num); 13 } 14 15 int main() 16 { 17 pthread_t tid[5]; 18 int i = 0; 19 for (i = 0; i < 5; i++) 20 { 21 pthread_create(&tid[i], NULL, thr, (void*)i); 22 } 23 24 for (i = 0; i < 5; i++) 25 { 26 void *ret; 27 pthread_join(tid[i], &ret); 28 printf("i = %d, ret = %d\\n", i, (int)ret); 29 } 30 31 return 0; 32 }
拓展思考：将pthread_create函数参4修改为(void *)&i, 将线程主函数内改为 i=*((int *)arg) 是否可以？
线程与共享
线程间共享全局变量！
注意：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。而进程不共享全局变量，只能借助mmap。
练习：设计程序，验证线程之间共享全局数据。
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <string.h> 6 7 int var = 100; 8 9 void *thr(void *arg) 10 { 11 printf("I am a thread, self = %lui, var = %d\\n", pthread_self(), var); 12 sleep(2); 13 var = 101; 14 printf("I am a thread, self = %lu, var = %d\\n", pthread_self(), var); 15 16 return NULL; 17 } 18 19 int main() 20 { 21 pthread_t tid; 22 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 23 printf("I am main thread, pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 24 25 pthread_detach(tid); //线程分离 26 printf("I am main thread, self = %lui, var = %d\\n", pthread_self(), var); 27 var = 1003; 28 sleep(5); 29 printf("I am main thread, self = %lui, var = %d\\n", pthread_self(), var); 30 31 return 0; 32 }
（3）pthread_exit函数
将单个线程退出
void pthread_exit(void *retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL
思考：使用exit将指定线程退出，可以吗？
结论：线程中，禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出。
在不添加sleep控制输出顺序的情况下。pthread_create在循环中，几乎瞬间创建5个线程，但只有第1个线程有机会输出（或者第2个也有，也可能没有，取决于内核调度）如果第3个线程执行了
exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。
所以，多线程环境中，应尽量少用，或者不使用exit函数，取而代之使用pthread_exit函数，将单个线程退出。任何线程里exit导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能return或exit。
另注意，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。
练习：编写多线程程序，总结exit、return、pthread_exit各自退出效果。
- return：返回到调用者那里去。
- pthread_exit()：将调用该函数的线程
- exit: 将进程退出
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 6 void *thr(void *arg) 7 { 8 printf("I am a thread! pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 9 //return NULL; 10 pthread_exit(NULL); 11 //exit(1); 12 } 13 14 int main() 15 { 16 pthread_t tid; 17 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 18 printf("I am main thread, pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 19 20 sleep(10); 21 printf("I will out.\\n"); 22 23 pthread_exit(NULL); 24 25 return 0; 26 }
（4）pthread_join函数
阻塞等待线程退出，获取线程退出状态 其作用，对应进程中 waitpid() 函数。
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失败：错误号
参数：
thread：线程ID （注意：不是指针）
retval：存储线程结束状态
对比记忆：
进程中：main返回值、exit参数-->int；等待子进程结束 wait 函数参数-->int *
线程中：线程主函数返回值、pthread_exit-->void *；等待线程结束 pthread_join 函数参数-->void **
练习：参数 retval 非空用法。
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 6 void *thr(void *arg) 7 { 8 printf("I am a thread! pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 9 //return (void*)100; //这样退出线程也可以 10 pthread_exit((void *)100); 11 } 12 13 int main() 14 { 15 pthread_t tid; 16 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 17 printf("I am main thread, pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 18 19 void *ret = NULL; 20 pthread_join(tid, &ret); //阻塞等待 21 22 printf("ret exit with %d\\n", (int)ret); 23 24 pthread_exit(NULL); 25 26 return 0; 27 }
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：
- 如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
- 如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
- 如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
- 如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。
练习：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <string.h> 6 7 void *thr(void *arg) 8 { 9 int num = (int)arg; 10 printf("I am %d thread, self = %lu\\n", num, pthread_self()); 11 12 return (void *)(100 + num); 13 } 14 15 int main() 16 { 17 pthread_t tid[5]; 18 int i = 0; 19 for (i = 0; i < 5; i++) 20 { 21 pthread_create(&tid[i], NULL, thr, (void*)i); 22 } 23 24 for (i = 0; i < 5; i++) 25 { 26 void *ret; 27 pthread_join(tid[i], &ret); 28 printf("i = %d, ret = %d\\n", i, (int)ret); 29 } 30 31 return 0; 32 }
（5）pthread_detach函数
实现线程分离
int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号
线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。网络、多线程服务器常用。
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中，导致内核认为该进程仍存在。
也可使用 pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离。
练习：使用pthread_detach函数实现线程分离 。
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <string.h> 6 7 void *thr(void *arg) 8 { 9 printf("I am a thread, self = %lu\\n", pthread_self()); 10 sleep(4); 11 printf("I am a thread, self = %lu\\n", pthread_self()); 12 13 return NULL; 14 } 15 16 int main() 17 { 18 pthread_t tid; 19 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 20 printf("I am main thread, pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 21 22 pthread_detach(tid); //线程分离 23 24 sleep(5); 25 26 //设置线程分离，如果再使用pthread_join回收线程会报错 27 /* 28 int ret = 0; 29 if ((ret = pthread_join(tid, NULL)) > 0) //阻塞等待 30 { 31 printf("join err: %d, %s\\n", ret, strerror(ret)); 32 }*/ 33 34 return 0; 35 }
一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join获取它的状态为止。但是线程也可以被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的所有资源，而不保留
终止状态。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错误。也就是说，如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。
（6）pthread_cancel函数
杀死(取消)线程 其作用，对应进程中 kill() 函数。
int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号
注意：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)。
类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所(存档点，如：客栈、仓库、城里等)才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点。
取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用creat，open，pause，close，read，write..... 执行命令man 7 pthreads可以查看具备这些取消点的系统调用列
表。也可参阅 APUE.12.7 取消选项小节。
可粗略认为一个系统调用(进入内核)即为一个取消点。如线程中没有取消点，可以通过调用pthreestcancel函数自行设置一个取消点。
被取消的线程， 退出值定义在Linux的pthread库中。常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。可在头文件pthread.h中找到它的定义：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。因此当我们对一
个已经被取消的线程使用pthread_join回收时，得到的返回值为-1。
练习：终止线程的三种方法。注意“取消点”的概念。
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <pthread.h> 4 #include <stdlib.h> 5 6 void *thr(void *arg) 7 { 8 while(1) 9 { 10 //注意：如果没有下面这两行代码，也就是只是一个while(1)死循环，则无法杀死该线程 11 //或者加上pthread_testcancel();设置杀死点，函数也可以被主线程杀死 12 printf("I am a thread! pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 13 sleep(1); 14 //pthread_testcancel(); 15 } 16 17 return NULL; 18 } 19 20 int main() 21 { 22 pthread_t tid; 23 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 24 printf("I am main thread, pid = %d, tid = %lu\\n", getpid(), pthread_self()); 25 26 sleep(5); 27 pthread_cancel(tid); //杀死线程 28 29 void *ret; 30 pthread_join(tid, &ret); //阻塞等待 31 printf("thread exit with %d\\n", (int)ret); 32 33 return 0; 34 }
终止线程方式：
总结：终止某个线程而不终止整个进程，有三种方法：
- 从线程主函数return。这种方法对主控线程不适用，从main函数return相当于调用exit。
- 一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
- 线程可以调用pthread_exit终止自己。
（7）pthread_equal函数
比较两个线程ID是否相等。
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
有可能Linux在未来线程ID pthread_t 类型被修改为结构体实现。
4. 控制原语对比
进程 线程
fork pthread_create
exit pthread_exit
wait pthread_join
kill pthread_cancel
getpid pthread_self
5. 线程属性
本节作为指引性介绍，linux下线程的属性是可以根据实际项目需要，进行设置，之前我们讨论的线程都是采用线程的默认属性，默认属性已经可以解决绝大多数开发时遇到的问题。如我们对程序的性能提出更高的要求那么需要设置线程属性，比如可以通过设置线程栈的大小来降低内存的使用，增加最大线程个数。
typedef struct { int etachstate; //线程的分离状态 int schedpolicy; //线程调度策略 struct sched_param schedparam; //线程的调度参数 int inheritsched; //线程的继承性 int scope; //线程的作用域 size_t guardsize; //线程栈末尾的警戒缓冲区大小 int stackaddr_set; //线程的栈设置 void* stackaddr; //线程栈的位置 size_t stacksize; //线程栈的大小 } pthread_attr_t;
主要结构体成员：
- 线程分离状态
- 线程栈大小（默认平均分配）
- 线程栈警戒缓冲区大小（位于栈末尾） 参 APUE.12.3 线程属性
属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源。
线程属性主要包括如下属性：作用域（scope）、栈尺寸（stack size）、栈地址（stack address）、优先级（priority）、分离的状态（detached state）、调度策略和参数（scheduling policy and
parameters）。默认的属性为非绑定、非分离、缺省的堆栈、与父进程同样级别的优先级。
1）线程属性初始化
注意：应先初始化线程属性，再pthread_create创建线程
初始化线程属性
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号
销毁线程属性所占用的资源
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号
2）线程的分离状态
线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。
非分离状态：线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。
分离状态：分离线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。
线程分离状态的函数：
设置线程属性，分离or非分离
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
获取程属性，分离or非分离
int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
参数：
attr：已初始化的线程属性
detachstate： PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）
这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就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_timedwait函数，让这个线程等
待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如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。
3）线程的栈地址
POSIX.1定义了两个常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR 和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE检测系统是否支持栈属性。也可以给sysconf函数传递_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或 _SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE来进行检测。
当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。通过pthread_attr_setstack和pthread_attr_getstack两个函数分别设置和获取线程的栈地址。
int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize); 成功：0；失败：错误号 int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize); 成功：0；失败：错误号
参数：
attr：指向一个线程属性的指针
stackaddr：返回获取的栈地址
stacksize：返回获取的栈大小
4）线程的栈大小
当系统中有很多线程时，可能需要减小每个线程栈的默认大小，防止进程的地址空间不够用，当线程调用的函数会分配很大的局部变量或者函数调用层次很深时，可能需要增大线程栈的默认大小。
函数pthread_attr_getstacksize和 pthread_attr_setstacksize提供设置。
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize); 成功：0；失败：错误号 int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize); 成功：0；失败：错误号
参数：
attr：指向一个线程属性的指针
stacksize：返回线程的堆栈大小
5）线程属性控制示例