线程
2021 年 03 月 12 日 528 1590 字 暂无评论

01.线程概述

  • 与进程(process)类似,线程(thread)是允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序,且共享同一份全局内存区域,其中包括初始化数据段、未初始化数据段,以及堆内存段。(传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例,该进程只包含一个线程) 。
  • 进程是 CPU分配资源的最小单位,线程是操作系统调度执行的最小单位。
  • 线程是轻量级的进程(LWP:Light Weight Process),在 Linux 环境下线程的本 质仍是进程。
  • 查看指定进程的 LWP 号:ps –Lf pid

02.线程和进程的区别

  • 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外,父子进程并未共享内存,因此必须采用 一些进程间通信方式,在进程间进行信息交换。
  • 调用 fork() 来创建进程的代价相对较高,即便利用写时复制技术,仍然需要复制诸如 内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性,这意味着 fork() 调用在时间上的开销 依然不菲。
  • 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到共享(全局或堆)变量中即可。
  • 创建线程比创建进程通常要快 10倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的,无需采用写时复制来复制内存,也无需复制页表。

03.线程和进程虚拟地址空间

04.线程之间共享和非共享资源

05.NPTL

  • 当Linux 最初开发时,在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过 clone() 系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程(calling process)的 一个拷贝,这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。LinuxThreads 项目使用这个调用 来完成在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是,这种方法有一些缺点,尤其是在信号处 理、调度和进程间同步等方面都存在问题。另外,这个线程模型也不符合 POSIX 的要求。
  • 要改进LinuxThreads,需要内核的支持,并且重写线程库。有两个相互竞争的项目开始 来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT(Next-Generation POSIX Threads)项目。同时,Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。NGPT 在 2003 年中期被放弃了,把这个领域完全留给了 NPTL。
  • NPTL,或称为 Native POSIX Thread Library,是 Linux 线程的一个新实现,它 克服了 LinuxThreads 的缺点,同时也符合 POSIX 的需求。与 LinuxThreads 相 比,它在性能和稳定性方面都提供了重大的改进。
  • 查看当前 pthread 库版本:getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

06.线程操作

6.1 pthread_create

/*
    一般情况下,main函数所在的线程我们称之为主线程(main线程),其余创建的线程
    称之为子线程。
    程序中默认只有一个进程,fork()函数调用,2进行
    程序中默认只有一个线程,pthread_create()函数调用,2个线程。

    #include <pthread.h>
    int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, 
    void *(*start_routine) (void *), void *arg);

        - 功能:创建一个子线程
        - 参数:
            - thread:传出参数,线程创建成功后,子线程的线程ID被写到该变量中。
            - attr : 设置线程的属性,一般使用默认值,NULL
            - start_routine : 函数指针,这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
            - arg : 给第三个参数使用,传参
        - 返回值:
            成功:0
            失败:返回错误号。这个错误号和之前errno不太一样。
            获取错误号的信息:  char * strerror(int errnum);

*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

void * callback(void * arg) {
    printf("child thread...\n");
    printf("arg value: %d\n", *(int *)arg);
    return NULL;
}

int main() {

    pthread_t tid;

    int num = 10;

    // 创建一个子线程
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, (void *)&num);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    } 

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    sleep(1);

    return 0;   // exit(0);
}

6.2 pthread_exit

/*

    #include <pthread.h>
    void pthread_exit(void *retval);
        功能:终止一个线程,在哪个线程中调用,就表示终止哪个线程
        参数:
            retval:需要传递一个指针,作为一个返回值,可以在pthread_join()中获取到。

    pthread_t pthread_self(void);
        功能:获取当前的线程的线程ID

    int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
        功能:比较两个线程ID是否相等
        不同的操作系统,pthread_t类型的实现不一样,有的是无符号的长整型,有的
        是使用结构体去实现的。
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

void * callback(void * arg) {
    printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());
    return NULL;    // pthread_exit(NULL);
} 

int main() {

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    // 主线程
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());

    // 让主线程退出,当主线程退出时,不会影响其他正常运行的线程。
    pthread_exit(NULL);

    printf("main thread exit\n");

    return 0;   // exit(0);
}

6.3 pthread_join

/*
    #include <pthread.h>
    int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
        - 功能:和一个已经终止的线程进行连接
                回收子线程的资源
                这个函数是阻塞函数,调用一次只能回收一个子线程
                一般在主线程中使用
        - 参数:
            - thread:需要回收的子线程的ID
            - retval: 接收子线程退出时的返回值
        - 返回值:
            0 : 成功
            非0 : 失败,返回的错误号
*/

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int value = 10;

void * callback(void * arg) {
    printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());
    // sleep(3);
    // return NULL; 
    // int value = 10; // 局部变量
    pthread_exit((void *)&value);   // return (void *)&value;
} 

int main() {

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    // 主线程
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());

    // 主线程调用pthread_join()回收子线程的资源
    int * thread_retval;
    ret = pthread_join(tid, (void **)&thread_retval);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    printf("exit data : %d\n", *thread_retval);

    printf("回收子线程资源成功!\n");

    // 让主线程退出,当主线程退出时,不会影响其他正常运行的线程。
    pthread_exit(NULL);

    return 0; 
}

6.4 pthread_detach

/*
    #include <pthread.h>
    int pthread_detach(pthread_t thread);
        - 功能:分离一个线程。被分离的线程在终止的时候,会自动释放资源返回给系统。
          1.不能多次分离,会产生不可预料的行为。
          2.不能去连接一个已经分离的线程,会报错。
        - 参数:需要分离的线程的ID
        - 返回值:
            成功:0
            失败:返回错误号
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error1 : %s\n", errstr);
    }

    // 输出主线程和子线程的id
    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());

    // 设置子线程分离,子线程分离后,子线程结束时对应的资源就不需要主线程释放
    ret = pthread_detach(tid);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error2 : %s\n", errstr);
    }

    // 设置分离后,对分离的子线程进行连接 pthread_join()
    // ret = pthread_join(tid, NULL);
    // if(ret != 0) {
    //     char * errstr = strerror(ret);
    //     printf("error3 : %s\n", errstr);
    // }

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

6.5 pthread_cancel

/*
    #include <pthread.h>
    int pthread_cancel(pthread_t thread);
        - 功能:取消线程(让线程终止)
            取消某个线程,可以终止某个线程的运行,
            但是并不是立马终止,而是当子线程执行到一个取消点,线程才会终止。
            取消点:系统规定好的一些系统调用,我们可以粗略的理解为从用户区到内核区的切换,这个位置称之为取消点。
*/

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    for(int i = 10; i < 15; i++) {
        printf("child : %d\n", i);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    
    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error1 : %s\n", errstr);
    }

    // 取消线程
    pthread_cancel(tid);

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    // 输出主线程和子线程的id
    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());

    
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

07.线程属性

/*
    int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
        - 初始化线程属性变量

    int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
        - 释放线程属性的资源

    int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
        - 获取线程分离的状态属性

    int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
        - 设置线程分离的状态属性
*/     

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {

    // 创建一个线程属性变量
    pthread_attr_t attr;
    // 初始化属性变量
    pthread_attr_init(&attr);

    // 设置属性
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error1 : %s\n", errstr);
    }

    // 获取线程的栈的大小
    size_t size;
    pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);
    printf("thread stack size : %ld\n", size);

    // 输出主线程和子线程的id
    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());

    // 释放线程属性资源
    pthread_attr_destroy(&attr);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

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