线程的概念
线程，是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。
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。
多线程与多进程之间的优缺点
1.多线程的优点：
无需跨进程边界；
程序逻辑和控制方式简单；
所有线程可以直接共享内存和变量等；
线程方式消耗的总资源比进程方式好；
2.多线程的缺点：
每个线程与主程序共用地址空间，受限于有限的地址空间；
线程之间的同步和加锁控制比较麻烦；
一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性；
到达一定的线程数程度后，即使再增加CPU也无法提高性能；
线程能够提高的总性能有限，而且线程多了之后，线程本身的调度也很麻烦，需要消耗较多的CPU；
3.多进程的优点：
每个进程互相独立，不影响主程序的稳定性，子进程崩溃没关系；
通过增加CPU，就可以容易扩充性能；
可以尽量减少线程加锁/解锁的影响，极大提高性能，就算是线程运行的模块算法效率低也没关系；
每个子进程都有2GB地址空间和相关资源，总体能够达到的性能上限非常大；
4.多进程的缺点：
逻辑控制复杂，需要和主程序交互；
需要跨进程边界，如果有大数据量传送，就不太好，适合小数据量传送、密集运算；
多进程调度开销比较大；
Linux内核线程实现原理
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。
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)
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
线程控制原语
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。
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：
pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;
参数1：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID
参数2：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。
参数3：函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。
参数4：线程主函数执行期间所使用的参数。
创建一个线程，并打印线程ID
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
void *thrd_func(void *arg)
{
printf("In thread: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid;
int ret, i;
printf("In main1: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());
ret = pthread_create(&tid, NULL, thrd_func,NULL);
if(ret != 0){
printf("pthread_create error:\n");
exit(1); }
printf("Inmain2: thread id = %lu, pid = %u\n", pthread_self(), getpid());
sleep(2);
return 0;
}
循环创建多个线程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
void *thread_func(void *arg)
{
int i = (int)arg;
sleep(i);
printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u\n", i+1, pthread_self(), getpid());
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid;
int ret, i;
for (i = 0; i<5; i++){
ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void *)i);
if(ret != 0){
fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));
exit(1); }
}
sleep(i);
return 0;
}
线程与共享
线程间共享全局变量！
【牢记】：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。
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？ 【pthrd_exit.c】
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。
pthread_exit函数退出线程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
int var2 = 100;
void *thread_func(void *arg)
{
int i = (int)(arg);
var2 = 200;
printf("var = %d\n",var2);
printf("%dth thread: thread id = %lu, pid = %u\n", i+1, pthread_self(), getpid());
if(i == 3)
{
exit(1);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid;
int ret, i;
for (i = 0; i<5; i++){
ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, (void*)i);
if(ret != 0){
fprintf(stderr, "pthread_create error:%s\n", strerror(ret));
exit(1); }
}
printf("main var = %d\n",var2);
pthread_exit(NULL);
}
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 **
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
typedef struct{
int a;
int b;
} exit_t;
void *tfn(void *arg)
{
exit_t * ret;
ret = malloc(sizeof(exit_t));
ret->a = 100;
ret->b = 300;
pthread_exit((void *)ret);
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
exit_t * retval;
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
//调用pthread_join可以获取线程的退出状态
pthread_join(tid, (void **)&retval);
printf("a = %d, b = %d\n", retval->a, retval->b);
free(retval);
return 0;
}
循环创建多个子线程并回收
#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 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;
}
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。
实现线程分离实例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
void *tfn(void *arg)
{
int n = 3;
while(n--){
printf("thread count %d\n", n);
sleep(1);
}
return (void *)1;
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
void *tret;
int err;
#if 0
//通过线程属性来设置游离态
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
#else
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
//让线程分离-----自动退出，无系统残留资源
pthread_detach(tid);
#endif
while(1){
err = pthread_join(tid, &tret);
printf("------------err = %d\n", err);
if(err != 0)
fprintf(stderr, "thread_join error : %s\n", strerror(err));
else
fprintf(stderr, "thread exit code %d\n", (int)tret);
sleep(1);
}
return 0;
}
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。
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。
实现终止线程三种方法
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
void *tfn1(void *arg)
{
printf("thread 1 returning\n");
return (void *)111;
}
void *tfn2(void *arg)
{
printf("thread 2 exiting\n");
pthread_exit((void *)222);
}
void *tfn3(void *arg)
{
while(1){
//printf("thread 3: I'm going to die in 3 seconds ... \n");
//sleep(1);
pthread_testcancel(); //自己添加取消点
}
return (void *)666;
}
int main()
{
pthread_t tid;
void *tret = NULL;
pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 1 exit code = %d\n\n", (int)tret);
pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 2 exit code = %d\n\n", (int)tret);
pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
sleep(3);
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 3 exit code = %d\n", (int)tret);
}
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：
1. 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。
2. 一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
3. 线程可以调用pthread_exit终止自己。
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。
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：
> 1. 线程分离状态
> 2. 线程栈大小（默认平均分配）
> 3. 线程栈警戒缓冲区大小（位于栈末尾）
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
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）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
void *thread_func(void *arg)
{
pthread_exit((void *)11);
}
int main()
{
pthread_t tid;
int ret;
pthread_attr_t attr;
ret = pthread_attr_init(&attr);
if(ret != 0){
fprintf(stderr, "pthread_attr_init error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
ret = pthread_create(&tid, &attr, thread_func, NULL);
if(ret != 0){
fprintf(stderr, "pthread_create 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);
}
pthread_exit((void *)1);
return 0;
}
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
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
线程属性控制示例
#include <pthread.h>
#define SIZE 0x100000
void *th_fun(void *arg)
{
while (1)
sleep(1);
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
int err, detachstate, i = 1;
pthread_attr_t attr;
size_t stacksize;
void *stackaddr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);
pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);
//默认分离态
if (detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED)
printf("thread detached\n");
//默认是非分离
else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)
printf("thread join\n");
else
printf("thread unknown\n");
//设置线程分离属性
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
while (1) {
stackaddr = malloc(SIZE);
//在堆上申请内存，指定线程栈的起始地址和大小
if (stackaddr == NULL) {
perror("malloc");
exit(1);
}
stacksize = SIZE;
//借助线程的属性，修改线程栈空间大小
pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize);
err = pthread_create(&tid, &attr, th_fun, NULL);
if (err != 0) {
printf("%s\n", strerror(err));
exit(1);
}
printf("%d\n", i++);
}
pthread_attr_destroy(&attr);
return 0;
}
线程使用注意事项
1. 主线程退出其他线程不退出，主线程应调用pthread_exit
2. 避免僵尸线程
pthread_join
pthread_detach
pthread_create指定分离属性
被join线程可能在join函数返回前就释放完自己的所有内存资源，所以不应当返回被回收线程栈中的值;
3. malloc和mmap申请的内存可以被其他线程释放
4. 应避免在多线程模型中调用fork除非，马上exec，子进程中只有调用fork的线程存在，其他线程在子进程中均pthread_exit
5. 信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程引入信号机制
