Linux - 线程基础

1.什么是线程

1. 在Linux操作系统中，线程是进程内部的一个执行流。
2. 在Linux操作系统下，执行流统称为轻量级进程（也是task_struct作为数据结构，简称LWP）（也就是说在Linux下线程是通过LWP模拟实现的）。

2.线程vs进程

1. 进程是承当资源分配的基本实体，线程是os调度的基本单位。
2. 线程共享进程的地址空间（即共享数据）。
   （1）文件描述符 （2）信号处理方式 （3）当前工作目录 （4）用户id和组id
3. 线程也有自己独立的一些数据
   （1）栈 （2）寄存器 （3）线程ID （4）调度优先级 （5）errno (6)信号屏蔽字

3.线程调度

1. 如果线程所属的进程不被调度，那么该进程内的所有线程（包括主线程和其他任何线程）通常也不会被调度执行。
2. 线程调度也是受到优先级、调度策略等影响。
3. 线程调度的时机
   时间片用完：操作系统为每个线程分配一个时间片，当线程的时间片用完时，操作系统会将调度权交给其他线程。
   阻塞操作：当线程执行了一个阻塞操作，例如等待输入、等待磁盘读写等，操作系统会将线程切换到阻塞状态，同时调度其他可运行线程。
   优先级调度：线程的优先级可能会影响调度。当高优先级的线程就绪时，操作系统可能会将其切换到运行状态，同时调度低优先级的线程。
   睡眠和唤醒：线程可以通过调用sleep()或wait()等方法主动让出CPU，进入睡眠状态。当休眠时间到期或条件满足时，线程会被唤醒并重新调度。
   中断处理：当线程遇到硬件中断时，操作系统可能会中断当前线程的执行，切换到中断处理程序的上下文。

4.线程控制

4.1 POSIX线程库

1. 与线程有关的函数构成了⼀个完整的系列，绝⼤多数函数的名字都是以“pthread_”打头的。
2. 要使⽤这些函数库，要通过引⼊头⽂ <pthread.h>。
3. 链接这些线程函数库时要使⽤编译器命令的“-lpthread”选项。

4.2创建线程

函数原型

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void*), void *arg);

参数

1. thread：指向 pthread_t 类型的指针。
   用途：用于存储新创建的线程的标识符（ID）。
   调用成功后，这个参数指向的位置会被赋予新线程的ID。
   注意：在使用这个线程ID之前，不需要对其进行任何初始化。
2. attr：指向 pthread_attr_t 类型的指针，该类型是一个结构体，用于指定线程的属性。
   用途：允许调用者设置新线程的属性，如是否分离（detach）、堆栈大小、调度策略和优先级等。
   默认值：如果设置为 NULL，则使用默认属性创建线程。
3. vstart_routine：函数指针，指向一个返回 void类型并接受一个 void 类型参数的函数。
   用途：这是新线程将要执行的函数的地址。该函数称为线程的启动例程（start
   routine）或线程函数。 参数：该函数接受一个 void* 类型的参数（arg），允许调用者向线程函数传递任意数据。
   返回值：线程函数的返回值将被传递给 pthread_exit 函数（如果线程调用它）或作为线程的退出状态（如果线程直接返回）。
4. arg ：void* 类型的指针。
   用途：传递给线程函数的参数。它允许调用者向线程函数传递任意数据。
   注意：在实际使用中，通常需要将这个参数转换为适当的类型，以便在线程函数内部使用。

返回值

1. 成功：返回 0。
2. 失败：返回一个非零的错误码，这些错误码通常定义在 <pthread.h> 头文件中，并且可以通过 strerror 或 perror 函数转换为可读的错误信息。

功能

用于创建新线程的函数。

例子
创建一个线程并执行函数

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include <unistd.h>//3.线程会执行到这里
void * func(void *arg)
{while(true){printf("%s\n",(char*)arg);sleep(1);}
}int main()
{//1.创建线程pthread_t pt;pthread_create(&pt,nullptr,func,(void*)"我是新线程");//2.主线程while(true){printf("我是一个主线程\n");sleep(1);}return 0;
}

现象：主线程和新线程都在执行各自的任务。

查看LWP

ps -aL | head -1 && ps -aL | grep test

现象：pid都相同说明是同一个进程，lwp区分不同线程。

补充：

在系统内核中只认识LWP，而我们用户需要使用线程就需要用thread标识符去操作线程，这是因为 POSIX线程库给我们用户进行了封装这类似于文件描述符bf和FILE*的关系。

4.3线程终止

4.3.1 从线程函数return。这种方法对主线程不适用,从main函数return相当于调用exit（结束进程）。

4.3.2pthread_ exit
功能

结束线程。

函数原型

void pthread_exit(void *retval);

参数

retval： 是一个指向返回值的指针，这个返回值可以被其他线程通过 pthread_join 函数（线程等待的函数）获取。如果线程没有设置返回值（即不关心其退出状态），可以传递 NULL 作为 retval 的参数。

4.3.3pthread_ cancel
功能

请求取消指定线程的函数。当一个线程调用 pthread_cancel 并向另一个线程发送取消请求时，被请求的线程可以选择在合适的时机终止执行。

函数原型

int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数

thread: 线程标识符。

返回值

1. 成功时返回 0。
2. 失败时返回一个非零的错误码。

4.4线程等待

4.4.1为什么进行等待呢

1. 释放线程的空间（有点像进程等待）。
2. 获取线程的退出状态。

4.4.2pthread_join
功能

用于等待指定线程终止的函数。调用 pthread_join 的线程（通常是主线程或另一个线程）会被阻塞，直到被等待的线程结束执行或取消，并取到被等待线程的返回值或处理其终止后的资源清理。

函数原型

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

参数

1. thread : 线程标识符。
2. 被等待线程的返回值。

返回值

1. 成功时返回 0。
2. 失败时返回一个非零的错误码，例如 ESRCH（无此线程）、EINVAL（线程不是可连接的）或 EDEADLK（检测到死锁）。
3. 死锁是指两个或两个以上的进程（或线程）在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

具体解释

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。
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。

例子
创建新线程，再使用pthread_ exit结束线程，再用主线程进行等待。

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>//3.线程会执行到这里
void * func(void *arg)
{//4.结束自己char * ret = new char[50];ret[0] = 'a';ret[1] = 'b';ret[2] = '\0';pthread_exit((void*)ret);return nullptr;
}int main()
{//1.创建线程pthread_t pt;pthread_create(&pt,nullptr,func,(void*)"我是新线程");//3.主线程进程等待void *ret;int n = pthread_join(pt,&ret);(void)n;    //防止报警告// 5.输出返回值printf("%s\n",(char*)(ret));return 0;
}

4.5线程分离

4.5.1为什么要进行线程分离

1. 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。
2. 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。

4.5.2pthread_detach
功能

用于将指定的线程与调用线程（通常是主线程）分离

函数原型

int pthread_detach(pthread_t thread);

参数

thread：线程标识符。

返回值

1. 成功时，返回 0。
2. 失败时，返回错误码。常见的错误码包括：
   ESRCH: 指定的线程标识符无效或不存在。
   EINVAL:线程已经是分离状态或已经是 joinable 状态但已经终止。

补充：

1. 可以有自己分离也可以由其他线程分离。
2. pthread_self()：或者自己的线程标识符。
3. 等待和分离是冲突的。

5、线程封装

使用面向对象的方式对线程进行封装。

#ifndef _THREAD_HPP__
#define _THREAD_HPP__#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <functional>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>namespace ThreadModule
{//函数包装using func_t = std::function<void()>;//线程个数static int number = 1;//状态enum class TSTATUS{NEW,RUNNING,STOP};class Thread{private://执行线程函数static void *Routine(void *args){//强制类型转换Thread* thread = (Thread*)args;//调用任务thread->_func();return nullptr;}public:Thread(func_t func) : _func(func), _status(TSTATUS::NEW), _joinable(false){_name = "Thread-" + std::to_string(number);_pid = getpid();}//创建线程bool Start(){if (_status != TSTATUS::RUNNING) // 保证线程处于非运行状态{int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, (void *)this); // 创建线程if (n != 0){return false;}_status = TSTATUS::RUNNING; // 更新状态return true;}return false;}//取消线程bool Stop(){if(_status == TSTATUS::RUNNING) //保证线程处于运行状态{int n = pthread_cancel(_tid);   //取消线程if(n != 0){return false;}_status = TSTATUS::STOP; // 更新状态return true;}return false;}//等待线程bool Join(){//保证线程不处于分离状态且处于运行状态if(!_joinable && _status == TSTATUS::RUNNING)  {   //等待线程，默认不关心线程状态int n = pthread_join(_tid,nullptr);if(n != 0){return false;}_status = TSTATUS::STOP; // 更新状态return true;}return false;}//线程分离void Detach(){//保证线程不处于分离状态且处于运行状态if(!_joinable && _status == TSTATUS::RUNNING)  {int n = pthread_detach(_tid);    //进行线程分离if(n != 0){return ;}std::cout<<"完成线程分离\n"<<std::endl;_joinable = true; //更新分离状态}}bool IsJoinable(){return _joinable;}std::string Name(){return _name;}~Thread() {}private:std::string _name; // 线程namepthread_t _tid;    // 线程idpid_t _pid;        // 进程idbool _joinable;    // 是否是分离的，默认不是func_t _func;      // 线程执行的任务TSTATUS _status;   // 线程状态};
}#endif