• 第3章 Linux多线程开发 01线程

    目录

    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

    在这里插入图片描述

    04 / 线程之间共享和非共享资源

    ◼ 共享资源
     进程 ID 和父进程 ID
     进程组 ID 和会话 ID
     用户 ID 和 用户组 ID
     文件描述符表
     信号处置
     文件系统的相关信息：文件权限掩码（umask）、当前工作目录
     虚拟地址空间（除栈、.text）

    ◼ 非共享资源
     线程 ID
     信号掩码(阻塞信号集)
     线程特有数据
     error 变量
     实时调度策略和优先级
    栈，本地变量和函数的调用链接信息

    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。Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。

    ◼ 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

    ◼ int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
    ◼ pthread_t pthread_self(void);
    ◼ int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
    ◼ void pthread_exit(void *retval);
    ◼ int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
    ◼ int pthread_detach(pthread_t thread);
    ◼ int pthread_cancel(pthread_t thread);

    pthread_create.c

    /*
    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个进程
    程序中默认只有一个线程，pthread_create()函数调用，2个线程。

    #include 
    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 
#include 
#include 
#include 

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);
}

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    pthread_exit.c

    /*

    #include 
    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 
#include 
#include 

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);
}

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    主线程和子线程交替运行

    pthread_join.c

    /*
    #include 
    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（进程是wait,waitpid）
                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 
#include 
#include 
#include 

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; 
}


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    pthread_detach.c

    /*
    #include 
    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 
#include 
#include 
#include 

void * callback(void * arg){
    printf("子线程的id: %ld\n",pthread_self());
    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("error1:%s",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",errstr);
    }

    // 设置分离后，对分离的子线程进行连接 pthread_join()，会报错，分离完了，就没关系了
    ret=pthread_join(tid,NULL);
    if(ret!=0){
        char* errstr=strerror(ret);
        printf("error2:%s",errstr);


    //主线程退出
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}
}

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    pthread_cancel.c

    /*
    #include 
    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 
#include 
#include 
#include 

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    for(int i = 0; i < 5; 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;
}

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    每次取消的地方可能不一样，但是都是在取消点处取消

    07 / 线程属性

    ◼ 线程属性类型 pthread_attr_t
    ◼ int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
    ◼ int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
    ◼ int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
    ◼ int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);

    在这里插入图片描述

    pthread_attr.c

    /*
    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 
#include 
#include 
#include 

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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