Linux 线程控制

2. Linux 线程控制

首先，**内核中有没有很明确的线程的概念**，而有**轻量级进程的概念**。当我们想写多线程代码时，可以使用**POSIX线程库**，这是一个
处于应用层位置的库，几乎所有的Linux发行版都默认带这个库，使用时需要引入头文件`pthread.h`

2.1 创建线程

2.1.1 基础创建

功能：创建一个新的线程
原型：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void*), void *arg);
参数：
thread:输出型参数，返回线程ID
attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性
start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数
arg:传给线程启动函数的参数
返回值：成功返回0；失败返回错误码

• 传统的一些函数是，成功返回0，失败返回-1，并且对全局变量errno赋值以指示错误
• pthreads函数出错时不会设置全局变量errno（而大部分其他POSIX函数会这样做）。而是将错误代码通过返回值返回
• pthreads同样也提供了线程内的errno变量，以支持其它使用errno的代码。对于pthreads函数的错误，建议通过返回值来判定，因为读取返回值要比读取线程内的errno变量的开销更小

由于是第三方库，所以编译时要加上-lpthread

myThread : myThread.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread.PHONY : clean
clean:rm -f myThread

可以看到，这不同的线程拥有同一个进程的pid

当我们想观察线程状态时，可以使用ps -aL命令,LWP的时ligtht weight process的缩写，PID等于LWP的线程是主线程。当我们使用kill -9命令时，杀掉任意一个线程，整个进程都会被kill掉

下面这个可以持续观察线程状态

while :; do ps -aL | head -1 && ps -aL | grep 'myThread' | grep -v ps; echo "##############################################"; sleep 1; done

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2.1.2 让一个函数被重入，让多个执行流同时调用

// 可以被多个执行流执行
void Show(const string& s) 
{cout << s << " say: hello!" << endl;
}void* ThreadRoutine(void* args) 
{while(true) {// cout << "new thread, pid is " << getpid() << endl;Show("[new thread]");sleep(1); }
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, nullptr);while(true) {// cout << "main thread, pid is " << getpid() << endl;Show("[main thread]");sleep(1); }return 0;
}

虽然打印出现了错行的情况，但不影响现象的产生

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2.1.3 线程之间进行通信很容易

int g_val = 0;void* ThreadRoutine(void* args) 
{while(true) {// cout << "new thread, pid is " << getpid() << endl;// Show("[new thread]");printf("I am new thread, g_val: %d, &g_val: %p\n", g_val, &g_val);sleep(1); }
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, nullptr);while(true) {// cout << "main thread, pid is " << getpid() << endl;// Show("[main thread]");g_val++;printf("I am main thread, g_val: %d, &g_val: %p\n", g_val, &g_val);sleep(1); }return 0;
}

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2.1.4 线程任意一个出现异常，进程都会退出

void* ThreadRoutine(void* args) 
{while(true) {cout << "new thread, pid is " << getpid() << endl;sleep(5);int *p =nullptr;*p = 1;}
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, nullptr);while(true) {cout << "main thread, pid is " << getpid() << endl;sleep(1); }return 0;
}

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2.1.5 观察类型是pthread_t 的 tid

定义 pthread_t 类型是 无符号长整型

typedef unsigned long int pthread_t;

可以打印查看

int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, nullptr);while(true) {printf("I am main thread, creat new thread tid is %lu\n");sleep(1); }return 0;
}

可以看到，打印出来的tid的值与LWP的值完全不一样，这是因为tid是给用户使用的的，而LWP是给OS使用的。
实际上，tid充当的是地址，在2.4中会介绍

2.1.6 给子线程传递参数

void* ThreadRoutine(void* args) 
{const char* name = (const char*)args;while(true) {printf("%s is running\n", name);sleep(1); }
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void*)"new thread");while(true) {printf("main thread is running\n");sleep(1); }return 0;
}

2.2 线程等待

2.2.1 为什么需要线程等待？

• 已经退出的线程，其空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内。
• 创建新的线程不会复用刚才退出线程的地址空间。
• 如果需要，可以获取子线程的返回值

2.2.2 基础使用

功能：等待线程结束
原型
int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);
参数
thread:线程ID
value_ptr:它指向一个指针，后者指向线程的返回值
返回值：成功返回0；失败返回错误码

1. 如果thread线程通过return返回,value_ ptr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异常终掉,value_ ptr所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_ CANCELED，其值为-1。
3. 如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的,value_ptr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value_ ptr参数。

void* ThreadRoutine(void* args) 
{const char* name = (const char*)args;int cnt = 5;while(cnt--) {printf("%s is running\n", name);sleep(1); }return nullptr;     // 线程走到这里后，会默认退出
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void*)"new thread");pthread_join(tid, nullptr);     // 主线程等待的时候，默认是阻塞等待cout << "main thread quit" << endl;return 0;
}

2.2.3 获取子线程的返回值

void* ThreadRoutine(void* args) 
{const char* name = (const char*)args;int cnt = 5;while(cnt--) {printf("%s is running\n", name);sleep(1); }return (void*)1;     // 线程走到这里后，会默认退出
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void*)"new thread");void* ret;pthread_join(tid, &ret);     // 主线程等待的时候，默认是阻塞等待printf("main thread quit, ret: %d\n", (long long)ret);  // 由于void* 是8字节，所以这里要用8字节的long long 来进行强转return 0;
}

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如果想要多返回些信息，可以使用类

struct Request
{Request(int s, int e, string n) : _start(s), _end(e), _name(n) {}// 累加 [start, end]int Run(){int tmp = 0;for(int i = _start; i<=_end; ++i) {tmp += i;}return tmp;}int _start;int _end;string _name;
};struct Response
{Response(int r, int e) : _res(r), _exitCode(e) {}int _res;int _exitCode;
};void* GetSum(void* args)
{Request* rq = static_cast<Request*>(args);Response* rs = new Response(0, 0);// 计算rs->_res = rq->Run();delete rq;return rs;
}int main()
{pthread_t tid;Request* rq = new Request(1, 100, "new Thread");pthread_create(&tid, nullptr, GetSum, rq);void* ret;pthread_join(tid, &ret);Response* rs = static_cast<Response*>(ret);printf("res: %d, exitCode: %d\n", rs->_res, rs->_exitCode);delete rs;return 0;
}

以这个为例子，如果一个计算任务很大，比如1-100000，就可以拆分，让不同的线程执行不同的范围，最后主线程再将子线程的结果进行汇总

2.3 线程终止

2.3.1 直接使用return

上面的所有例子都是使用这个方法，当线程走到return后，会默认退出。注意：exit()是进程退出函数，不是线程，当线程函数使用它时会使整个进程退出

2.3.2 pthread_exit

功能：线程终止
原型
void pthread_exit(void *value_ptr);
参数
value_ptr:value_ptr不要指向一个局部变量。
返回值：无返回值，跟进程一样，线程结束的时候无法返回到它的调用者（自身）

void* ThreadRoutine(void* args) 
{const char* name = (const char*)args;int cnt = 5;while(cnt--) {printf("%s is running\n", name);sleep(1); }pthread_exit((void*) 123);
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void*)"new thread");void* ret;pthread_join(tid, &ret);     // 主线程等待的时候，默认是阻塞等待printf("main thread quit, ret: %d\n", (long long)ret);  // 由于void* 是8字节，所以这里要用8字节的long long 来进行强转return 0;
}

2.3.3 pthread_cancel

功能：取消一个执行中的线程
原型
int pthread_cancel(pthread_t thread);
参数
thread:线程ID
返回值：成功返回0；失败返回错误码

void* ThreadRoutine(void* args) 
{const char* name = (const char*)args;while(true) {printf("%s is running\n", name);sleep(1); } return nullptr;
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void*)"new thread");// 主进程取消掉子进程sleep(1);pthread_cancel(tid);void* ret;pthread_join(tid, &ret);     // 主线程等待的时候，默认是阻塞等待printf("main thread quit, ret: %d\n", (long long)ret);  // 由于void* 是8字节，所以这里要用8字节的long long 来进行强转return 0;
}

可以看到ret为-1，那是因为PTHREAD_ CANCELED，其值为-1。见2.2.2

2.4 线程ID及进程地址空间布局

• 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。该线程ID和前面说的线程ID不是一回事，（pid和LWP）
• 前面讲的线程ID属于进程调度的范畴。因为线程是轻量级进程，是操作系统调度器的最小单位，所以需要一个数值来唯一表示该线程
• pthread_ create函数第一个参数指向一个虚拟内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID，属于NPTL线程库的范畴。线程库的后续操作，就是根据该线程ID来操作线程的
• 线程库NPTL提供了pthread_ self函数，可以获得线程自身的ID：

功能：pthread_self - 获取调用线程的ID原型：pthread_t pthread_self(void);
描述：pthread_self()函数返回调用线程的ID。与在创建this的pthread_create(3)调用中的*thread中返回的值线程是一样的。
返回值：这个函数总是成功，返回调用线程的ID。

// 将tid以地址的格式打出来，即16进制
string ToHex(pthread_t tid)
{char hex[64];snprintf(hex, sizeof(hex), "%p", tid);return hex;
}void* ThreadRoutine(void* args)
{while(true) {// 打印出进程id，将它转成16进程// cout << "thread id: " << ToHex(pthread_self()) << endl;printf("thread id: %s\n", ToHex(pthread_self()).c_str());sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, nullptr);while(true) {printf("child tid: %s\n", ToHex(tid).c_str());sleep(1);}pthread_join(tid, nullptr);return 0;
}

pthread_t到底是什么类型呢？取决于实现。对于Linux目前实现的NPTL实现而言，pthread_t类型的线程ID，本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

可以看到，除了主线程，所有其他线程的独立栈，都在共享区，具体来讲是在pthread库中，tid指向的用户tcb中，这样，线程在调度运行的时候就不会互相干扰了。

2.5 其它问题

2.5.1 创建多个线程

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#define NUM 3
using namespace std;struct ThreadData
{   ThreadData(string name) : _threadName(name) {}string _threadName;
};void* ThreadRoutine(void* args)
{ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);int cnt = 5;while(cnt--) {printf("%s, tid: %p, pid: %d\n", td->_threadName.c_str(), pthread_self(), getpid());sleep(1);}delete td;return nullptr;
}int main()
{// 创建多个线程vector<pthread_t> tids;for (size_t i = 0; i < NUM; i++) {pthread_t tid;ThreadData* td = new ThreadData("Thread-" + to_string(i+1));// 给子线程传递数据，堆空间是共享的pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, td);tids.push_back(tid);}// 等待线程for(const auto& t : tids) {pthread_join(t, nullptr);}return 0;
}

2.5.2 每一个线程自己独立的栈结构

修改ThreadRoutine()函数

void* ThreadRoutine(void* args)
{ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);int cnt = 5, x = 0;while(cnt--) {printf("%s, tid: %p, pid: %d, x: %d, &x: %p\n", td->_threadName.c_str(), pthread_self(), getpid(), x, &x);x++;sleep(1);}delete td;return nullptr;
}

可以看到，每一个线程都独享一个x，即独立的栈空间。注意这里是独立，并不是私有，其它线程想访问还是可以的，比如主线程想访问Thread-2的x值

int *p = nullptr;void* ThreadRoutine(void* args)
{ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);int cnt = 5, x = 0;while(cnt--) {printf("%s, tid: %p, pid: %d, x: %d, &x: %p\n", td->_threadName.c_str(), pthread_self(), getpid(), x, &x);x++;// 获取该线程的xif(td->_threadName == "Thread-2")   p = &x;sleep(1);}delete td;return nullptr;
}int main()
{// 创建多个线程vector<pthread_t> tids;for (size_t i = 0; i < NUM; i++) {pthread_t tid;ThreadData* td = new ThreadData("Thread-" + to_string(i+1));// 给子线程传递数据，堆空间是共享的pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, td);tids.push_back(tid);}sleep(2);printf("Main Thread get x: %d, &x: %p\n", *p, p);// ...
}

2.5.3 全局变量

默认情况下，全局变量被所有线程共享

// 共享资源
int gVal = 100;void* ThreadRoutine(void* args)
{ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);int cnt = 5;while(cnt--) {gVal++;printf("%s, tid: %p, pid: %d, gVal: %d, &gVal: %p\n", td->_threadName.c_str(), pthread_self(), getpid(), gVal, &gVal);sleep(1);}delete td;return nullptr;
}

如果想要让每个进程独享该变量，可以在变量前加上__thread，让编译器把该变量放到tcb的线程局部存储单元中，见2.4。注意这里只能初始化内置类型，自定义类型是不可以的

__thread int gVal = 100;

介绍一个__thread的用法：减少系统调用

__thread unsigned long int self = 0;
__thread int tPid = 0;
void* ThreadRoutine(void* args)
{ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);self = pthread_self();tPid = getpid();int cnt = 5;while(cnt--) {printf("%s, tid: %p, pid: %d\n", td->_threadName.c_str(), self, tPid);sleep(1);}delete td;return nullptr;
}

像上面这样，就减少了系统调用的次数。可以将这样的变量理解为线程级别的全局变量，不同线程之间变量互不干扰。

2.6 分离线程

• 默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。
• 如果不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。

int pthread_detach(pthread_t thread);

可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离:

pthread_detach(pthread_self());

joinable和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的

__thread unsigned long int self = 0;
__thread int tPid = 0;
void* ThreadRoutine(void* args)
{ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);self = pthread_self();tPid = getpid();// 自己分离pthread_detach(self);int cnt = 5;while(cnt--) {printf("%s, tid: %p, pid: %d\n", td->_threadName.c_str(), self, tPid);sleep(1);}delete td;return nullptr;
}int main()
{// 创建多个线程vector<pthread_t> tids;for (size_t i = 0; i < NUM; i++) {pthread_t tid;ThreadData* td = new ThreadData("Thread-" + to_string(i+1));// 给子线程传递数据，堆空间是共享的pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, td);tids.push_back(tid);}sleep(2);// 等待线程for(const auto& t : tids) {int ret = pthread_join(t, nullptr);printf("ret: %d, who: %p, why: %s\n", ret, t, strerror(ret));}return 0;
}