线程
线程相关概念
什么是线程
LWP：light weight process
轻量级进程，本质仍然是进程(Linux环境下)
进程：有独立的地址空间，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，独居的就是进程，合租的就是线程。
在Linux下，线程是最小的执行单位，进程是最小资源分配单位，可看成是只有一个线程的进程。
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(LWP)，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.线程可以看作寄存器和栈的集合
5.在Linux下，线程是最小的执行单位，进程是最小的资源分配单位
查看LWP号：ps -Lf pid
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
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，原因是他们虽虚拟地址一样，但是页目录，页表和物理页面各不相同，相同的虚拟地址，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。但是！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，那么就产生出一个进程，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，旨在用户层面上进行区分，所以，线程所有的操作函数pthread_*是库函数而非系统调用。
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.处理器线程和栈指针(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，不支持gdb
3.对信号支持不好
总结：
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和线程差别不是很大。
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); 成功返回线程ID，没有失败返回值
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是进程内部的识别标志(两个进程间允许线程ID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，应该使用pthread_self。
pthread_create函数
创建一个新线程，其作用对应进程中的fork()函数
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
成功返回0，失败返回错误号，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。
在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行代码由我们传给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，该参数的而理性为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()得到子进程退出状态。
pthread_create成功返回后，新创建的线程id被填写到thread参数所指定的内存单元，我们知道进程id的类型时pid_t，每个进程的id在整个系统中是唯一的，调用getpid()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，它旨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print打印，调用pthread_self()可以获得当前线程id。
练习：创建一个新线程，打印线程ID，注意，链接线程库 -lpthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void *tfn(void *arg)
{
printf("I am thread, my pid = %d\n", getpid());
printf("I'm thread, Thread_ID = %lu\n", pthread_self());
return NULL;
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
printf("I am main, my pid = %d\n", getpid());
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
sleep(1);
printf("I am main, my pid = %d\n", getpid());
return 0;
}
在程序中，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，在main函数中sleep了1秒。
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。
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
void *tfn(void *arg)
{
int i;
i = (int)arg;
sleep(i); //通过i来区别每个线程
printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu\n", i+1, pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int n = 5, i;
pthread_t tid;
if (argc == 2)
n = atoi(argv[1]);
for (i = 0; i < n; i++) {
pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);
//将i转换为指针，在tfn中再强转回整形。
}
sleep(n);
printf("I am main, and I am not a process, I'm a thread!\n"
"main_thread_ID = %lu\n", pthread_self());
return 0;
}
思考：将pthread_create函数第四个参数改为(void *)&i，将线程主函数改为i = *((int *)arg)是否可以
可以看到，得到的i不正确，主要是通过地址去取i值时，i值可能已经发生了改变
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。
练习：设计程序，验证线程之间共享全局数据。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int var = 100;
void *tfn(void *arg)
{
var = 200;
printf("thread\n");
return NULL;
}
int main(void)
{
printf("At first var = %d\n", var);
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
sleep(1);
printf("after pthread_create, var = %d\n", var);
return 0;
}
pthread_exit函数
将单个线程退出
void pthread_exit(voit *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，将整个线程退出了，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，其他线程工作未结束时，主控线程退出时不能return或者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用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其他线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
void *tfn(void *arg)
{
int i;
i = (int)arg; //强转。
if (i == 2)
pthread_exit(NULL);
sleep(i); //通过i来区别每个线程
printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu\n", i+1, pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int n = 5, i;
pthread_t tid;
if (argc == 2)
n = atoi(argv[1]);
for (i = 0; i < n; i++) {
pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);
//将i转换为指针，在tfn中再强转回整形。
}
//sleep(n);
printf("I am main, I'm a thread!\n"
"main_thread_ID = %lu\n", pthread_self());
pthread_exit(NULL);
//return 0;
}
注释掉sleep和return，使用pthread_exit，可以发现，所有的线程均正常执行输出。
pthread_join函数
阻塞等待线程退出，获取线程退出状态，其作用对应进程中的waitpid()函数
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
成功返回0，失败返回错误号
参数：
thread:线程ID
retval：存储线程结束状态
对比记忆：
进程中：main返回值、exit函数→int；等待子线程结束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。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.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); //wait(&status);
printf("a = %d, b = %d \n", retval->a, retval->b);
free(retval);
return 0;
}
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，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。
练习：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。
#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 (void *)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)
成功返回0，失败返回错误号
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，大致内核认为该进程仍存在。
也可以使用pthread_create函数第二个参数来设置线程分离。
练习：使用pthread_detach函数实现线程分离。
#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;
pthread_exit((void *)1);
}
int main(void)
{
pthread_t tid;。/
void *tret;
int err;
#if 0
pthread_attr_t attr; /*通过线程属性来设置游离态*/
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
#else
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
pthread_detach(tid); //让线程分离 ----自动退出,无系统残留资源
#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;
}
从执行结果可以看出，给分离的线程进行回收会出错，错误码为22。
一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其他线程调用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，如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。
pthread_cancel函数
杀死线程，其作用对应进程中的kill()函数。
int pthread_cancel(pthread_t thread);
成功返回0，失败返回错误号
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设置。通常时一些系统调用creat，open，pause，close，read，write…执行命令man 7 pthreads可以产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pthreadcancel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。
#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(void)
{
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);
return 0;
}
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。
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 |
线程属性
本届作为指引性介绍，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 detachstate; //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)
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_destory函数来进行资源释放。
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。
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);
成功返回0，失败返回错误号
销毁线程属性所占用的资源
int pthread_attr_destory(pthread_attr_t *attr);
成功返回0，失败返回错误号
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。
设置线程分离状态函数：
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
获取线程分离状态函数：
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，它很可能再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，留出足够的事件让函数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，他们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。
线程的栈地址
POISIX.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);
成功返回0，失败返回错误号
int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize);
成功返回0，失败返回错误号
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。
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);
成功返回0，失败返回错误号。
参数：
attr:指向一个线程属性的指针
stacksize:返回线程的堆栈大小
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define SIZE 0x10000
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; //typedef size_t unsigned int
void *stackaddr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);
pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);
if (detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED) //默认是分离态
printf("thread detached\n");
else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) //默认是非分离
printf("thread join\n");
else
printf("thread un known\n");
/* 设置线程分离属性 */
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
while (1) {
/* 在堆上申请内存,指定线程栈的起始地址和大小 */
stackaddr = malloc(SIZE);
if (stackaddr == NULL) {
perror("malloc");
exit(1);
}
stacksize = SIZE;
pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize); //借助线程的属性,修改线程栈空间大小
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;
}
NPTL
1.产看当前pthread库版本getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
2.NPTL实现机制(POSIX)，Native POSIX Thread Library
3.使用线程库时gcc执行 -lpthread
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执行分离属性
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
3.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，应避免在多线程中引入信号机制