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