多线程控制讲解与代码实现

Posted 2023-03-31 阿尔帕兹

多线程控制

回顾一下线程的概念

线程是CPU调度的基本单位，进程是承担分配系统资源的基本单位。linux在设计上并没有给线程专门设计数据结构，而是直接复用PCB的数据结构。每个新线程（task_struct中有个指针都指向虚拟内存mm_struct结构，实现了共享同一份代码，拥有该进程的一部分资源）

在linux中，把所有执行流都看作是轻量级进程，故有一个用户级的原生线程库为用户提供“线程”接口（对OS是轻量级线程）。

从信号、异常和资源看线程的健壮性问题

一个线程出现异常，会影响其他线程

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

using namespace std;

void* start_routime(void* args)

    string name = static_cast<const char*>(args);//安全地进行强制类型转换
    // 如果是一个执行流，那么不可能同时执行2个死循环
    int count = 0;
    while(1)
    
        cout << "new thread is created! name: " << name << endl;
        sleep(1);
        count++;

        if(count == 5)
        
            int* p = nullptr;
            *p = 10;//故意写一个解引用空指针，我们知道是会报段错误
        
    


int main()

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, nullptr, start_routime, (void*)"thread new");

    while(1)
    
        cout << "new thread is created! name: main" << endl;
        sleep(1);
    

    return 0;

命令行报错

[yyq@VM-8-13-centos 2023_03_18_multiThread]$ ./mythread 
new thread is created! name: main
new thread is created! name: thread new
new thread is created! name: main
new thread is created! name: thread new
new thread is created! name: main
new thread is created! name: thread new
new thread is created! name: main
new thread is created! name: thread new
new thread is created! name: main
new thread is created! name: thread new
new thread is created! name: main
Segmentation fault

由此可以看出，当一个线程出异常了，会直接影响其他线程的正常运行。因为信号是整体发送给进程的，本质是将信号发给对应进程的pid，而一个进程的所有线程pid值是相同的，就会给每个线程的PCB里写入相同的信号，接收到信号后，所有的进程就退了。

换个角度来说，每个线程所依赖的资源是进程给的，当一个线程出异常，进程会收到退出信号后，OS回收资源是回收整个进程的资源，而其他线程的资源是进程给的，故所有的线程就会全部退出。

以上是从信号+异常+资源的视角来看待线程健壮性的问题。

POSIX线程库的errno

我们学习的是POSIX线程库，有以下特征

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-l pthread选项。

用户级线程库的pthread这一类函数出错时不会设置全局变量errno（虽然大部分其他POSIX函数会这样做），而是将错误代码通过返回值返回。因为线程是共享一份资源的，如果多个线程对同一个全局变量进行访问（errno也是全局变量），就会因为缺乏访问控制而带来一些问题，因此对于pthreads函数的错误，建议通过返回值来判定。

简单了解clone

允许用户创建一个进程/轻量级进程，fork()/vfork()就是调用clone来实现的。

#include <sched.h>
功能：创建一个进程/轻量级进程

原型
	int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg, .../* pid_t *ptid, struct user_desc *tls, pid_t *ctid */ );

参数
    child_stack:子栈(用户栈)
    flags:
返回值
    创建失败，返回-1；创建成功，返回线程ID

/* Prototype for the raw system call */

long clone(unsigned long flags, void *child_stack, void *ptid, void *ctid, struct pt_regs *regs);

创建多线程

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

using namespace std;

void* start_routime(void* args)

    string name = static_cast<const char*>(args);//安全地进行强制类型转换
    while(1)
    
        cout << "new thread is created! name: " << name << endl;
        sleep(1);
    


int main()

    vector<pthread_t> threadIDs (10, pthread_t());
    for(size_t i = 0; i < 10; i++)
    
        pthread_t tid;
        char nameBuffer[64];
        snprintf(nameBuffer, sizeof(nameBuffer), "%s : %d", "thread", i);
        pthread_create(&tid, nullptr, start_routime, (void*)nameBuffer);//是缓冲区的起始地址，无法保证创建的新线程允许先后次序
        threadIDs[i] = tid;
        sleep(1);
    

    for(auto e : threadIDs)
    
        cout << e << endl;
    

    while(1)
    
        cout << "new thread is created! name: main" << endl;
        sleep(1);
    
    return 0;

现象：当创建多个线程的循环中没有添加sleep语句时，我们可能看到的输出一直是某个线程。

分析：当我们创建新的线程时，每个线程是独立的执行流。首先，创建多个新线程，谁先运行是不确定的；其次，因为nameBuffer是被所有线程共享的，主线程是把缓冲区的起始地址传给每个线程，在循环里nameBuffer在一直被主进程更新，所以每个进程能拿到的都是被主进程更新后的最新的进程id。

多线程数据私有

所以，如果我们想让各个线程独立执行代码，这样的写法是不对的，那如何给线程传递正确的结构呢？既然nameBuffer是同一个变量一样的地址，那就每次传入不同的地址呀

//当成结构体使用
class ThreadData

public:
    pthread_t tid;
    char nameBuffer[64];    
;
//对应的操作函数如下
void* start_routime(void* args)//args传递的时候，也是拷贝了一份地址，传过去。不管是传值传参还是传引用传参，都会发生拷贝

    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);//安全地进行强制类型转换
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    
        cout << "new thread is created! name: " << td->nameBuffer << " 循环次数cnt:" << cnt << endl;
        cnt--;
        sleep(1);
    
    delete td;
    return nullptr;

int main()

    vector<ThreadData*> threads;
    for(size_t i = 0; i < 10; i++)
    
        // 此处 td是指针，传给每个线程的td指针都是不一样的，实现数据私有
        ThreadData* td = new ThreadData();
        snprintf(td->nameBuffer, sizeof(td->nameBuffer), "%s : %d", "thread", i + 1);
        pthread_create(&td->tid, nullptr, start_routime, (void*)td);
        threads.push_back(td);
    

    for(auto& e : threads)
    
        cout << "create thread name: " << e->nameBuffer << " tid:" << e->tid << endl;
    

    int cnt = 7;
    while(cnt)
    
        cout << "new thread is created! name: main" << endl;
        cnt--;
        sleep(1);
    
    return 0;

通过传new出来的结构体指针，实现多线程数据私有！

重入状态

start_routime()函数同时被10个线程访问，在程序运行期间处于重入状态。站在变量的角度，由于函数没有访问全局变量，访问的都是局部变量，故是可重入函数。【严格来说，这不算可重入函数，因为cout是访问文件的，而我们只有一个显示器，在输出到显示器的时候有可能会出错】

对全局变量进行原子操作的是可重入函数。

独立栈空间

每个线程都有自己独立的栈空间

线程ID

线程id是它独立栈空间的起始地址

线程等待pthread_join

**join是阻塞式等待。**线程也是要被等待的，如果不等待，会造成类似僵尸进程的问题–内存泄漏。作用1、获取线程退出信息；2、回收线程资源。但与进程不同的是，线程不用获取退出信号，因为一旦线程出异常，收到信号了，整个进程都会退出。

pthread_join不考虑异常问题，线程出异常了进程直接来处理。

start_routime返回值的类型是void*，pthread_join()中retval参数的类型是void**。两者之间有关联。

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
参数
    thread:线程id
    retval输出型参数:用于获取线程函数结束时，返回的退出结果
返回值
    成功返回0，失败返回错误码
        
具体使用：
void* retval = nullptr;//相当于把start_routime返回的指针（这里的指针是指针地址，是个字面值）存到ret（这里的ret是指针变量）里面去
int n = pthread_join(tid, &retval);
assert(n == 0);

线程终止时，可以返回一个指针（比如堆空间的地址、对象的地址等），并可以被主线程取到，由此可以完成信息交互。

例如进程，有阻塞式等待和非阻塞式等待，用信号捕捉函数，设置成signal(SIGCHLD, SIG_IGN);就可；而进程没有非阻塞式等待。

线程分离pthread_detach

默认情况下，我们创建的新线程都是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。

功能：分离线程，与joinable是互斥的
#include <pthread.h>
原型：
	int pthread_detach(pthread_t thread);
返回值：
    成功返回0；失败返回错误码，但不设置错误码，不被设置到errno
//使用1：线程自己分离自己
pthread_detach(pthread_self());
//使用2：主线程分离其他线程

当线程自己分离自己后，主线程再调用pthread_join()【需要主动让主进程的join后与detach执行】，此时jion函数会返回22，表示Invalid argument

为什么要先让detach执行，因为新线程和主线程谁先执行是不确定的，当新线程去执行自己的任务时，假设新线程还没来得及执行detach，而主线程就已经join了，那么detach就无效了。

功能：获取调用该函数的线程ID
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);

线程终止

线程退出return/pthread_exit

1. return nullptr; return返回就表示该线程终止。

2. pthread_exit(nullptr); 线程退出的专用pthread_exit()函数。

   #include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

exit用于终止进程，不能用于终止线程。任何一个执行流调用exit都会让整个进程退出。

发现了没，return和pthread_exit都有个nullptr参数！这个返回值会放在pthread库里面的。

后续线程等待时，就是到pthread库里取到这个值。

线程取消pthread_cancel

线程被取消的前提是线程已经在运行了，由主线程给对应的线程发送取消命令。收到的退出码retval是-1，-1实际上是宏#define PTHREAD_CANCELED ((void*) -1)。

原生线程库pthread

站在上层的角度（从语言层面）来看原生线程库：

在linux上，任何语言如果要实现多线程，必定要用到pthread库，如何看待C++11中的多线程呢？C++11中的多线程在linux环境下本质是对pthread库的封装。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void thread_run()

    int cnt = 5;
    while(cnt)
    
        cout << "我是新线程" << endl;
        sleep(1);
    


int main()

    thread t1(thread_run);

    while(true)
    
        cout << "我是主线程" << endl;
    

    t1.join();
    return 0;

//这份代码用g++编译，如果不带-lpthread选项，就会报错！说明C++就是封装了原生线程库

用原生线程库写出来的代码，是不可跨平台的，但是效率更高；用C++写出来的多平台通用，但是效率偏低。

原生线程库是共享库，可以同时被多个用户使用。那么如何对用户创建出来的线程做管理呢？

linux给出的解决方案是，让原生线程库采用一定的方法对用户创建的线程做管理，只不过在库里需要添加的线程属性比较少（包括线程id等），会存在一个union pthread_attr_t;结构体里，然后与内核中的轻量级进程一一对应，内核提供线程执行流的调度。linux用户级线程：内核轻量级进程=1：1。

线程局部存储__thread

全局变量保存在进程地址空间的已初始化数据区的，被__thread修饰的全局变量保存在线程局部存储中（共享区的线程结构体里）。这个是线程独有的，介于全局变量和局部变量之间的一种存储方案。