Linux：浅析线程（线程控制）

我们知道一个程序运行时，加载到内存成了进程。假如一个进程需要做一大堆事情，这个事情多的嘛就不谈了。那么进程可不可以有一些小弟？这些小弟可以替代进程做一些事情，这样可以提高进程的工作效率。那么这个时候线程就出来了。

进程在创建的时候需要创建资源、创建PCB。那么进程如果作为大哥的话，它也应该给它的小弟分配东西，只有这样小弟才能有东西去干活。
所以进程也就是承担分配资源的实体。而线程就是进程给线程分配的资源，让线程去执行。所以我们可以区别一下进程与线程，进程拥有资源，并且拥有分配资源的能力。而线程仅仅是用着进程所分配的资源给进程做事情。这样我们就能搞清楚线程是怎么来的了。

线程的概念

• 在一个程序里面一个执行路线就叫做线程。线程是一个进程内部的控制序列。
• 一个进程至少都有一个执行线程。

实际上我们可以理解线程就是一个PCB，它与其他线程共用一块虚拟地址空间。
所以我们之前所说的进程，实际上就是拥有一个线程的进程。

进程与线程

• 由于进程拥有资源，所以进程时资源竞争的基本单位
• 线程是程序执行的最小单位，是调度的基本单位
• 线程共享进程的数据，但是线程也拥有自己的数据，比如：线程的上下文数据，线程的私有栈
• 线程在进程的程序地址空间内部运行

线程的优缺点

相比进程线程的优点有：

• 创建线程比创建进程开销小的多
• 线程之间切换的效率也高于进程
• 线程占用的资源进程少很多
• 能够充分的利用多处理器的可并行数量
• 线程的执行粒度更细

线程的缺点有：

• 线程之间由于资源是共享的，所以在处理某些临界资源时，可能会造成难以估计的不良影响，所以线程之间是缺乏保护的
• 在某些情况下，由于多线程中额外的调度与开销很大，反而造成了性能的损失
• 编码难度高，调试多线程程序比调试单线程程序困难很多

线程控制

POSIX线程库

#include <pthread.h>

int pthread_create（pthread_t* thread, const pthread_attr_t* attr, void*(*start_routine)(void*), void* arg）;
//功能：创建一个线程
//参数：
//thread:返回线程ID
//attr:设置线程属性，attr为NULL表示使用默认属性
//start_routine:函数地址，表示要执行的函数
//arg：给线程要执行的函数传参数
//返回值：
//成功返回0，失败返回错误码

线程的所有调用函数都不是系统调用，并且在链接是需要手动链接线程库-lphread

传统的函数成功返回0，失败返回-1，而且对全局变量errno赋值来指示错误，而phreads函数出错的时候不会设置全局变量errno（而大部分POSIX函数会这样做），而是直接将错误代码通过返回值返回，phreads同样提供了线程内的errno变量，来支持其他使用errno的代码。但是在检查错误时，建议通过返回值来判定，因为读取返回值要比读取线程内errno变量的开销更小。

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread, void** value_ptr);
//功能：等待线程结束
//参数：
//thread:线程ID
//value_ptr:输出型参数，指向一个指针，这个指针指向线程的返回值
//返回值：成功返回0，失败返回错误码

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void* value_ptr);
//功能：线程终止
//参数：
//value_ptr:value_ptr不要指向一个局部变量
//返回值：无返回值

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread)
//功能：取消一个执行的线程
//参数：
//thread:线程ID
//返回值：成功返回0，失败返回错误码

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);
//功能：获取线程自身ID

线程ID

在Linux下，线程又被称作轻量级进程，每一个线程在内核中都有一个调度的实体，也同样拥有自己的进程描述符（PCB），这时候我们发现在进程中，有多线程，而每个线程都有一个自己的进描述符，那么内核在调度进程的时候要求所有线程都是对应同一个进程PID，这是怎么做到的呢？
在Linux下引入了线程组，多线程的进程被称作线程组。 线程组内每一个线程都拥有自己的进程描述符，在自己的进程描述符内部的PID，其实是这个线程的线程ID，而其内部有一个TGID，含义为Thread Group ID这才是真正我们所看到的PID。也就是说其实我们看到的PID实际上是线程组ID。而所有线程组内部的线程，它们的PID是不同的，但是它们的TGID肯定相同。我们把它们共同的这个TGID称作进程PID。
我们可以用gettid（）来获取线程的线程ID。由于glibc并没有将gettid这个系统调用封装，所以我们要获得线程ID，需要下面的方法：

#include <sys/syscall.h>

pid_t tid;
tid = syscall(SYS_gettid);

接下来我们来查看一下我们的线程ID

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

void *thread(void* arg)
{
  char* msg = (char*)arg;
  pid_t tid = syscall(SYS_gettid);
  printf("%s tid:%d \n",msg, tid);

  return NULL;
}

int main()
{
  pthread_t tid;
  pthread_create(&tid, NULL, thread, (void*)"thread1");

  printf("main pid %d main tid %lu \n",getpid(),syscall(SYS_gettid));
  sleep(2);
  pthread_join(tid, NULL);

  return 0;
}

我们发现，main函数也就是主线程的TID与我们getpid系统调用所得到的结果一样，这说明了在线程组中，线程组的ID取决于主线程的线程ID，而我们所说的进程PID其实就是主线程的线程ID。
而我们刚才提到的线程操作函数里面有一个pthread_self(void)这个函数也是获取线程自身ID的，那这个获取的是什么内容呢？我们来看看。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

void *thread(void* arg)
{
  char* msg = (char*)arg;
  printf("%s pthread_self id %p  %lu\n",msg,(void*)pthread_self(),pthread_self());

  return NULL;
}

int main()
{
  pthread_t tid;
  pthread_create(&tid, NULL, thread, (void*)"thread1");
  printf("main tid %p   %lu\n",(void*)tid, tid);


  sleep(1);
  pthread_join(tid, NULL);

  return 0;
}

我们发现，其实pthread_self()函数获得的其实是我们在创建线程时所传入的tid，相当于一个标识符，这个表示符能够让线程库更好的对线程进行操作等。而并不是我们想要的线程ID。
我们pthread_create函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中，这个线程ID并不是我们理解的线程ID，这个线程ID是线程库为了方便操作这些线程而使用的ID。而我们说的线程ID是进程调度范畴的，线程是轻量级进程，是调度器调度的基本单位，所以需要一个唯一的ID与之对应，这样可以更好的去调度。

线程终止

在进程方面，我们终止进程可以有很多办法，比如return，exit等。
而终止某个线程而不终止整个进程可以有三种方法：

1. 从线程函数return，这种方法不适用于主线程，从main函数return相当于调用exit，终止整个进程
2. 调用pthread_exit()终止自己
3. 一个线程可以调用pthread_cancel(pthread_t thread)来终止某个线程

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

void *thread(void* arg)
{
  char* msg = (char*)arg;
  while(1) {
    printf("%s is running!\n",msg);
    sleep(1);
  }

  return NULL;
}

int main()
{
  pthread_t tid;
  pthread_create(&tid, NULL, thread, (void*)"thread1");

  sleep(5);
  pthread_cancel(tid);

  return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

void *thread(void* arg)
{
  char* msg = (char*)arg;
  printf("%s is running!\n",msg);
  pthread_exit(0);
  sleep(5);

  return NULL;
}

int main()
{
  pthread_t tid;
  pthread_create(&tid, NULL, thread, (void*)"thread1");

  pthread_join(tid, NULL);

  return 0;
}

线程等待

在学习进程时，子进程退出父进程需要等待。这是因为父进程要获取子进程退出的信息，并且维护子进程退出后的数据等。如果不进行等待，子进程会成为僵尸进程，引起内存泄漏的风险。
线程也是一样，在线程退出后，线程的空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内部。这样就会导致内存泄漏的问题出现。
我们在等待线程的时候调用pthread_join(pthread_t thread, void** value_ptr)调用该函数的线程将被挂起等待，直至thread线程终止。其中第二个参数是存放等待线程的退出信息，属于一个输出型参数。
由于thread退出的方式不同，在join时得到的退出信息也是不同的：

• 如果thread通过return退出，此时value_ptr所指向的内容里存放的是thread线程函数的返回值
• 如果thread通过自己调用pthread_exit()退出，value_ptr所指向的内容存放的是传给pthread_exit()里的参数
• 如果thread被别的线程调用pthread_cancel()而终止，此时value_ptr所指向的内容存放的是常数PTHREAD_CANCELED
• 如果对thread的退出信息不感兴趣，可以设置value_ptr为NULL

线程结合与分离

在默认的情况下，我们创建的线程都是结合的。线程退出以后需要对线程进行pthread_join操作，否则线程资源无法被释放，造成内存泄漏。如果不关心线程返回值的话，这是pthread_join就没有必要在等待了，可以利用int pthread_detach(pthread_t thread)来将这个线程分离，这样在线程退出的时候自动就会释放线程的资源。

int pthread_detach(pthread_t pthread)//分离线程

在调用时，可以自己将自己分离，也可以分离别的线程。

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