7.9-UC-第九课：线程管理

Posted 2021-01-23 xuxaut-558

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第九课  线程管理

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一、基本概念

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1. 线程就是程序的执行路线，即进程内部的控制序列，

   或者说是进程的子任务。

2. 线程，轻量级，不拥有自己独立的内存资源，

   共享进程的代码区、数据区、堆区(注意没有栈区)、

   环境变量和命令行参数、文件描述符、信号处理函数、

   当前目录、用户ID和组ID等资源。

3. 线程拥有自己独立的栈，因此也有自己独立的局部变量。

4. 一个进程可以同时拥有多个线程，

   即同时被系统调度的多条执行路线，

   但至少要有一个主线程。

二、基本特点

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1. 线程是进程的一个实体，

   可作为系统独立调度和分派的基本单位。

2. 线程有不同的状态，系统提供了多种线程控制原语，

   如创建线程、销毁线程等等。

3. 线程不拥有自己的资源，只拥有从属于进程的全部资源，

   所有的资源分配都是面向进程的。

4. 一个进程中可以有多个线程并发地运行。

   它们可以执行相同的代码，也可以执行不同的代码。

5. 同一个进程的多个线程都在同一个地址空间内活动，

   因此相对于进程，线程的系统开销小，任务切换快。

6. 线程间的数据交换不需要依赖于类似IPC的特殊通信机制，

   简单而高效。

7. 每个线程拥有自己独立的线程ID、寄存器信息、函数栈、

   错误码和信号掩码。

8. 线程之间存在优先级的差异。

三、POSIX线程(pthread)

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1. 早期厂商各自提供私有的线程库版本，

   接口和实现的差异非常大，不易于移植。

2. IEEE POSIX 1003.1c (1995)标准，

   定义了统一的线程编程接口，

   遵循该标准的线程实现被统称为POSIX线程，即pthread。

3. pthread包含一个头文件pthread.h，

   和一个接口库libpthread.so。

#include <pthread.h>

...

gcc ... -lpthread

4. 功能

1) 线程管理：创建/销毁线程、分离/联合线程、

   设置/查询线程属性。

2) 线程同步

A. 互斥量：创建/销毁互斥量、加锁/解锁互斥量、

   设置/查询互斥量属性。

B. 条件变量：创建/销毁条件变量、等待/触发条件变量、

   设置/查询条件变量属性。

四、线程函数

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1. 创建线程

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int pthread_create (pthread_t* restrict thread,

    const pthread_attr_t* restrict attr,

    void* (*start_routine) (void*),

    void* restrict arg);

thread        - 线程ID，输出参数。

                pthread_t即unsigned long int。

attr          - 线程属性，NULL表示缺省属性。

                pthread_attr_t可能是整型也可能是结构，

                因实现而异。

start_routine - 线程过程函数指针，

                参数和返回值的类型都是void*。

                启动线程本质上就是调用一个函数，

                只不过是在一个独立的线程中调用的，

                函数返回即线程结束。

arg           - 传递给线程过程函数的参数。

                线程过程函数的调用者是系统内核，

                而非用户代码，

                因此需要在创建线程时指定参数。

成功返回0，失败返回错误码。

注意：

1) restrict: C99引入的编译优化指示符，

   提高重复解引用同一个指针的效率。

2) 在pthread.h头文件中声明的函数，

   通常以直接返回错误码的方式表示失败，

   而非以错误码设置errno并返回-1。

3) main函数即主线程，main函数返回即主线程结束，

   主线程结束即进程结束，

   进程一但结束其所有的线程即结束。

4) 应设法保证在线程过程函数执行期间，

   其参数所指向的目标持久有效。

创建线程。范例：create.c

线程并发。范例：concur.c

线程参数。范例：arg.c

2. 等待线程

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

等待thread参数所标识的线程结束，

成功返回0，失败返回错误码。

范例：ret.c

注意从线程过程函数中返回值的方法：

1) 线程过程函数将所需返回的内容放在一块内存中，

   返回该内存的地址，保证这块内存在函数返回，

   即线程结束，以后依然有效；

2) 若retval参数非NULL，

   则pthread_join函数将线程过程函数所返回的指针，

   拷贝到该参数所指向的内存中；

3) 若线程过程函数所返回的指针指向动态分配的内存，

   则还需保证在用过该内存之后释放之。

3. 获取线程自身的ID

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pthread_t pthread_self (void);

成功返回调用线程的ID，不会失败。

4. 比较两个线程的ID

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

int pthread_equal (pthread_t t1, pthread_t t2);

若参数t1和t2所标识的线程ID相等，则返回非零，否则返回0。

某些实现的pthread_t不是unsigned long int类型，

可能是结构体类型，无法通过“==”判断其相等性。

范例：equal.c

5. 终止线程

~~~~~~~~~~~

1) 从线程过程函数中return。

2) 调用pthread_exit函数。

void pthread_exit (void* retval);

retval - 和线程过程函数的返回值语义相同。

注意：在任何线程中调用exit函数都将终止整个进程。

范例：exit.c

6. 线程执行轨迹

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1) 同步方式(非分离状态)：

   创建线程之后调用pthread_join函数等待其终止，

   并释放线程资源。

2) 异步方式(分离状态)：

   无需创建者等待，线程终止后自行释放资源。

int pthread_detach (pthread_t thread);

使thread参数所标识的线程进入分离(DETACHED)状态。

处于分离状态的线程终止后自动释放线程资源，

且不能被pthread_join函数等待。

成功返回0，失败返回错误码。

范例：detach.c

7. 取消线程

~~~~~~~~~~~

1) 向指定线程发送取消请求

int pthread_cancel (pthread_t thread);

成功返回0，失败返回错误码。

注意：该函数只是向线程发出取消请求，

并不等待线程终止。

缺省情况下，线程在收到取消请求以后，并不会立即终止，

而是仍继续运行，直到其达到某个取消点。在取消点处，

线程检查其自身是否已被取消了，并做出相应动作。

当线程调用一些特定函数时，取消点会出现。

2) 设置调用线程的可取消状态

int pthread_setcancelstate (int state,

    int* oldstate);

成功返回0，并通过oldstate参数输出原可取消状态

(若非NULL)，失败返回错误码。

state取值：

PTHREAD_CANCEL_ENABLE  - 接受取消请求(缺省)。

PTHREAD_CANCEL_DISABLE - 忽略取消请求。

3) 设置调用线程的可取消类型

int pthread_setcanceltype (int type, int* oldtype);

成功返回0，并通过oldtype参数输出原可取消类型

(若非NULL)，失败返回错误码。

type取值：

PTHREAD_CANCEL_DEFERRED     - 延迟取消(缺省)。

被取消线程在接收到取消请求之后并不立即响应，

而是一直等到执行了特定的函数(取消点)之后再响应该请求。

PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS - 异步取消。

被取消线程可以在任意时间取消，

不是非得遇到取消点才能被取消。

但是操作系统并不能保证这一点。

范例：cancel.c

8. 线程属性

~~~~~~~~~~~

创建线程函数

int pthread_create (pthread_t* restrict thread,

    const pthread_attr_t* restrict attr,

    void* (*start_routine) (void*),

    void* restrict arg);

的第二个参数即为线程属性，传空指针表示使用缺省属性。

typedef struct {

    // 分离状态

    //

    // PTHREAD_CREATE_DETACHED

    // - 分离线程。

    //

    // PTHREAD_CREATE_JOINABLE(缺省)

    // - 可汇合线程。

    //

    int detachstate;

    // 竞争范围

    //

    // PTHREAD_SCOPE_SYSTEM

    // - 在系统范围内竞争资源。

    //

    // PTHREAD_SCOPE_PROCESS(Linux不支持)

    // - 在进程范围内竞争资源。

    //

    int scope;

    // 继承特性

    //

    // PTHREAD_INHERIT_SCHED(缺省)

    // - 调度属性自创建者线程继承。

    //

    // PTHREAD_EXPLICIT_SCHED

    // - 调度属性由后面两个成员确定。

    //

    int inheritsched;

    // 调度策略

    //

    // SCHED_FIFO

    // - 先进先出策略。

    //

    // 没有时间片。

    //

    // 一个FIFO线程会持续运行，

    // 直到阻塞或有高优先级线程就绪。

    //

    // 当FIFO线程阻塞时，系统将其移出就绪队列，

    // 待其恢复时再加到同优先级就绪队列的末尾。

    //

    // 当FIFO线程被高优先级线程抢占时，

    // 它在就绪队列中的位置不变。

    // 因此一旦高优先级线程终止或阻塞，

    // 被抢占的FIFO线程将会立即继续运行。

    //

    // SCHED_RR

    // - 轮转策略。

    //

    // 给每个RR线程分配一个时间片，

    // 一但RR线程的时间片耗尽，

    // 系统即将移到就绪队列的末尾。

    //

    // SCHED_OTHER(缺省)

    // - 普通策略。

    //

    // 静态优先级为0。任何就绪的FIFO线程或RR线程，

    // 都会抢占此类线程。

    //

    int schedpolicy;

    // 调度参数

    //

    // struct sched_param {

    //     int sched_priority; /* 静态优先级 */

    // };

    //

    struct sched_param schedparam;

    // 栈尾警戒区大小(字节)

    //

    // 缺省一页(4096字节)。

    //

    size_t guardsize;

    // 栈地址

    //

    void* stackaddr;

    // 栈大小(字节)

    //

    size_t stacksize;

}   pthread_attr_t;

不要手工读写该结构体，

而应调用pthread_attr_set/get函数设置/获取具体属性项。

1) 设置线程属性

第一步，初始化线程属性结构体

int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr);

第二步，设置具体线程属性项

int pthread_attr_setdetachstate (

    pthread_attr_t* attr,

    int detachstate);

int pthread_attr_setscope (

    pthread_attr_t* attr,

    int scope);

int pthread_attr_setinheritsched (

    pthread_attr_t* attr,

    int inheritsched);

int pthread_attr_setschedpolicy (

    pthread_attr_t* attr,

    int policy);

int pthread_attr_setschedparam (

    pthread_attr_t* attr,

    const struct sched_param* param);

int pthread_attr_setguardsize (

    pthread_attr_t* attr,

    size_t guardsize);

int pthread_attr_setstackaddr (

    pthread_attr_t* attr,

    void* stackaddr);

int pthread_attr_setstacksize (

    pthread_attr_t* attr,

    size_t stacksize);

int pthread_attr_setstack (

    pthread_attr_t* attr,

    void* stackaddr, size_t stacksize);

第三步，以设置好的线程属性结构体为参数创建线程

int pthread_create (pthread_t* restrict thread,

    const pthread_attr_t* testrict attr,

    void* (*start_routine) (void*),

    void* restrict arg);

第四步，销毁线程属性结构体

int pthread_attr_destroy (pthread_attr_t* attr);

2) 获取线程属性

第一步，获取线程属性结构体

int pthread_getattr_np (pthread_t thread,

    pthread_attr_t* attr);

第二步，获取具体线程属性项

int pthread_attr_getdetachstate (

    pthread_attr_t* attr,

    int* detachstate);

int pthread_attr_getscope (

    pthread_attr_t* attr,

    int* scope);

int pthread_attr_getinheritsched (

    pthread_attr_t* attr,

    int* inheritsched);

int pthread_attr_getschedpolicy (

    pthread_attr_t* attr,

    int* policy);

int pthread_attr_getschedparam (

    pthread_attr_t* attr,

    struct sched_param* param);

int pthread_attr_getguardsize (

    pthread_attr_t* attr,

    size_t* guardsize);

int pthread_attr_getstackaddr (

    pthread_attr_t* attr,

    void** stackaddr);

int pthread_attr_getstacksize (

    pthread_attr_t* attr,

    size_t* stacksize);

int pthread_attr_getstack (

    pthread_attr_t* attr,

    void** stackaddr, size_t* stacksize);

以上所有函数成功返回0，失败返回错误码。

范例：attr.c

来自为知笔记(Wiz)