参考引用
1. 线程概念
1.1 什么是线程
- 线程
- LWP:light weight process 轻量级的进程,本质仍是进程 (在 Linux 环境下)
- 有独立的 PCB,但没有独立的地址空间 (共享)
- 最小的执行单位
- 进程
- 独立地址空间,拥有 PCB
- 最小的资源分配单位,可看成是只有一个线程的进程
- 进程与线程的区别
- 在于是否共享地址空间。独居(进程);合租(线程)。Linux 下:
1.2 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
- 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
- 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
- 进程可以蜕变成线程
- 线程可看做寄存器和栈的集合
- 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
-
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。原因是他们虽然虚拟地址一样,但页目录、页表、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
- 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,那么就产出一个进程
- 如果共享对方的地址空间,就产生一个线程
-
Linux 内核是不区分进程和线程的,只在用户层面上进行区分。线程所有操作函数 pthread_* 都是库函数
1.3 线程共享/非共享资源
- 线程共享资源
- 文件描述符表
- 每种信号的处理方式
- 当前工作目录
- 用户 ID 和组 ID
- 内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)
- 线程非共享资源
- 线程 id
- 处理器现场和栈指针 (内核栈)
- 独立的栈空间 (用户空间栈)
- errno 变量
- 信号屏蔽字
- 调度优先级
1.4 线程优、缺点
- 优点
- 提高程序并发性
- 资源开销小
- 数据通信、共享数据方便
- 缺点
- 库函数,不稳定
- 调试、编写困难、gdb 不支持
- 对信号支持不好
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、线程差别不是很大,优先使用线程
2. 线程控制原语
2.1 pthread_self 函数
- 获取线程 ID,其作用对应进程中 getpid() 函数
#include <pthread.h> // 返回值 成功 0; 失败:无 pthread_t pthread_self(void); // Compile and link with -pthread
- 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)
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
2.2 pthread_create 函数
-
创建一个新线程,其作用对应进程中的 fork() 函数
#include <pthread.h> // 返回值 成功 0; 失败:对应的错误号 int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg); // Compile and link with -pthread
- 参数 1:传出参数,保存系统分配好的线程 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,当前线程从 pthread_create() 返回继续往下执行,而新的线程所执行的代码由传给 pthread_create 的函数指针 start_routine 决定
扫描二维码关注公众号,回复: 17001129 查看本文章- start_routine 函数接收一个参数,是通过 pthread_create 的 arg 参数传递给它的,该参数的类型为 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(2) 得到子进程的退出状态
-
pthread_create 成功返回后,新创建的线程 ID 被填写到 thread 参数所指向的内存单元
- 进程 ID 的类型是 pid_t,每个进程的 ID 在整个系统中是唯一的,调用 getpid(2) 可以获得当前进程的 ID,是一个正整数值
- 线程 ID 的类型是 pthread_t,它只在当前进程中保证是唯一的,在不同的系统中 pthread_t 这个类型有不同的实现,它可能是一个整数值、一个结构体、一个地址,所以不能简单地当成整数用 printf 打印,调用 pthread_self(3) 可以获得当前线程的 ID
案例 1
- 创建一个新线程,打印线程 ID
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <pthread.h> void sys_err(const char *str) { perror(str); exit(1); } // 子线程 void *tfn(void *arg) { printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self()); return NULL; } // 主线程 int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t tid; // attr 取 NULL 表示取默认值 int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL); if (ret != 0) { perror("pthread_create error"); } printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self()); pthread_exit((void *)0); // 等价下面两行代码,此方法更优 //sleep(1); //return 0; }
# pthread 不是 Linux 下的默认的库,链接的时候无法找到 phread 库中函数的入口地址,于是链接会失败 # 所以在 gcc 编译的时候,要加 -pthread 参数即可解决 $ gcc pthread_create.c -o pthread_create -pthread $ ./pthread_create main: pid = 2986, tid = 140380929427264 thread: pid = 2986, tid = 140380921087744
案例 2
- 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 <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <pthread.h> void sys_err(const char *str) { perror(str); exit(1); } void *tfn(void *arg) { // 使用 int 报错:warning: cast from pointer to integer of different size [-Wpointer-to-int-cast] long i = (long)arg; // 强制类型转换 sleep(i); printf("I'm %ldth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self()); return NULL; } int main(int argc, char *argv[]) { long i; int ret; pthread_t tid; for (i = 0; i < 5; i++) { ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); // i 传参采用值传递,借助强制类型转换 if (ret != 0) { sys_err("pthread_create error"); } } sleep(i); printf("I'm main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self()); return 0; }
$ gcc pthread_more.c -o pthread_more -pthread $ ./pthread_more I'm 1th thread: pid = 3163, tid = 139852150068992 I'm 2th thread: pid = 3163, tid = 139852141676288 I'm 3th thread: pid = 3163, tid = 139852133283584 I'm 4th thread: pid = 3163, tid = 139851990673152 I'm 5th thread: pid = 3163, tid = 139852054001408 I'm main: pid = 3163, tid = 139852158408512
2.3 线程与共享
- 线程间共享全局变量
- 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
案例
- 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, var = %d\n", var); 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; }
$ gcc ttt.c -o ttt -pthread $ ./ttt At first var = 100 thread, var = 200 after pthread_create, var = 200
2.4 pthread_exit 函数
- 将单个线程退出
#include <pthread.h> void pthread_exit(void *retval); // Compile and link with -pthread
- 参数 retval 表示线程退出状态,通常传 NULL
- 线程中禁止使用 exit() 函数,会导致进程内所有线程全部退出
- 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
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
案例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
void sys_err(const char *str) {
perror(str);
exit(1);
}
void func(void) {
pthread_exit(NULL); // 将当前线程退出
return ;
}
void *tfn(void *arg) {
long i = (long)arg; // 强制类型转换
sleep(i);
if (i == 2) {
//exit(0); // 表示退出进程
//return NULL; // 表示返回到调用者那里去
//func();
pthread_exit(NULL); // 将当前线程退出
}
printf("I'm %ldth thread: pid = %d, tid= %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
long i;
int ret;
pthread_t tid;
for (i = 0; i < 5; i++) {
ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); // i 传参采用值传递,借助强制类型转换
if (ret != 0) {
sys_err("pthread_create error");
}
}
sleep(i);
printf("I'm main, pid = %d, tid= %lu\n", getpid(), pthread_self());
return 0;
}
$ gcc pthread_exit.c -o pthread_exit -pthread
$ ./pthread_exit
I'm 1th thread: pid = 3389, tid = 140125255145216
I'm 2th thread: pid = 3389, tid = 140125246752512
I'm 4th thread: pid = 3389, tid = 140125238359808
I'm 5th thread: pid = 3389, tid = 140125229967104
I'm main: pid = 3389, tid = 140125263484736
结论
- exit:将进程退出
- return:返回到调用者那里去
- pthread exit():将调用该函数的线程退出
2.5 pthread_join 函数
-
阻塞等待线程退出(主线程等待子线程的终止),获取线程退出状态,其作用对应进程中 waitpid() 函数
#include <pthread.h> // 返回值 成功:0 失败:错误号 int pthread_join(pthread_t thread, void** retval); // Compile and link with -pthread.
- thread:线程ID (不是指针)
- retval:存储线程结束状态
- 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**
-
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
- 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
- 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
- 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
- 如果对 thread 线程的终止状态不感兴趣,可以传 NULL 给 retval 参数
案例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
struct thrd {
int var;
char str[256];
};
void sys_err(const char *str) {
perror(str);
exit(1);
}
/*
void *tfn(void *arg) {
struct thrd *tval;
tval = malloc(sizeof(tval));
tval->var = 100;
strcpy(tval->str, "hello thread");
return (void *)tval;
}
*/
/*
void *tfn(void *arg) {
// 此处 tval 为局部变量,随函数调用产生而产生,函数调用结束后栈空间就没了,对应的 tval 也没了
struct thrd tval;
tval.var = 100;
strcpy(tval.str, "hello thread");
// 局部变量 tval 地址不可做返回值
return (void *)&tval;
}
*/
void *tfn(void *arg) {
struct thrd *tval = (struct thrd *)arg;
tval->var = 100;
strcpy(tval->str, "hello thread");
return (void *)tval;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
pthread_t tid;
struct thrd arg;
struct thrd *retval;
int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)&arg);
if (ret != 0)
sys_err("pthread_create error");
// tid 为传入参数,retval 为传出参数
// 等待线程的结束,并将其返回值赋给 retval
ret = pthread_join(tid, (void **)&retval);
if (ret != 0)
sys_err("pthread_join error");
printf("child thread exit with var= %d, str= %s\n", retval->var, retval->str);
pthread_exit(NULL);
}
2.5 pthread_detach 函数
-
实现线程分离
#include <pthread.h> int pthread_detach(pthread_t thread); // Compile and link with -pthread
-
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,而是直接自动释放,网络、多线程服务器常用
-
进程若有类似线程分离的机制,将不会产生僵尸进程
- 僵尸进程产生原因:由于进程死后,大部分资源被释放,但残留资源仍存于系统中,导致内核认为该进程仍存在
-
一般情况下,线程终止后,其终止状态一直保留到其它线程调用 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。也就是说,如果已经对一个线程调用了 pthread_detach 就不能再调用 pthread_join
案例
- 使用 pthread_detach 函数实现线程分离
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <pthread.h> void *tfn(void *arg) { printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self()); return NULL; } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t tid; int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL); if (ret != 0) { fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret)); exit(1); } ret = pthread_detach(tid); // 设置线程分离` 线程终止,会自动清理pcb,无需回收 if (ret != 0) { fprintf(stderr, "pthread_detach error: %s\n", strerror(ret)); exit(1); } sleep(1); ret = pthread_join(tid, NULL); if (ret != 0) { fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret)); exit(1); } printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self()); pthread_exit((void *)0); }
$ gcc pthread_detach.c -o pthread_detach -pthread $ ./pthread_detach thread: pid = 3684, tid = 139762658100992 pthread_join error : Invalid argument
2.6 pthread_cancel 函数
- 杀死(取消)线程,其作用,对应进程中 kill() 函数
#include <pthread.h> int pthread_cancel(pthread_t thread); // Compile and link with -pthread.
- 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
- 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 pthread_testcancel 函数自行设置一个取消点
案例
#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) {
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 = %ld\n\n", (long)tret);
pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 2 exit code = %ld\n\n", (long)tret);
pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
sleep(3);
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, &tret);
printf("thread 3 exit code = %ld\n", (long)tret);
return 0;
}
$ gcc pthread_cancel.c -o pthread_cancel -pthread
$ ./pthread_cancel
thread 1 returning
thread 1 exit code = 111
thread 2 exiting
thread 2 exit code = 222
thread 3 exit code = -1
终止线程方式
- 终止某个线程而不终止整个进程,有三种方法
- 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
- 一个线程可以调用 pthread_cancel 终止同一进程中的另一个线程
- 线程可以调用 pthread_exit 终止自己
3. 线程属性
-
之前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。如果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
-
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_destroy 函数来释放资源
3.1 线程属性初始化
- 应先初始化线程属性,再 pthread_create 创建线程
#include <pthread.h> // 返回值 成功返回 0,失败返回对应的错误号 int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); // 初始化线程属性 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); // 销毁线程属性所占用的资源 // Compile and link with -pthread.
3.2 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
#include <pthread.h> // 返回值 成功返回 0,失败返回对应的错误号 int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate); // 设置线程属性 int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate); // 获取线程属性 // Compile and link with -pthread.
- 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)
3.3 线程属性控制示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
void *tfn(void *arg) {
printf("thread: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
pthread_t tid;
pthread_attr_t attr;
int ret = pthread_attr_init(&attr);
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "attr_init error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
ret = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 设置线程属性为分离属性
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "attr_setdetachstate error:%s\n", strerror(ret));
exit(1);
}
ret = pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);
if (ret != 0) {
perror("pthread_create error");
}
ret = pthread_attr_destroy(&attr);
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "attr_destroy 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);
}
printf("main: pid = %d, tid = %lu\n", getpid(), pthread_self());
pthread_exit((void *)0);
}
$ gcc pthread_attr.c -o pthread_attr -pthread
$ ./pthread_attr
pthread_join error:Invalid argument
3.4 线程使用注意事项
- 主线程退出其他线程不退出,主线程应调用 pthread_exit
- 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
- malloc 和 mmap 申请的内存可以被其他线程释放
- 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
- 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