linux学习之线程篇（一）

线程

1.线程的概念

线程和进程的关系

• 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（下图）是相同的
• 进程可以蜕变成线程。（若进程只有一个线程，主控线程，线程和进程是一样的，若再创建几个线程，此时之前那个主控线程就完全是一个线程了）
• 在美国人眼里，线程就是寄存器和栈。每个PCB里边维持了一个内核栈，每个线程维持一个寄存器和栈。
•  在linux下，线程最小的执行单位；进程时最小的分配资源单位，每创建一个进程，分配一个pcb。

参看LWP

ps -Lf pid
ps -eLf

线程

调度单位是线程

线程间共享资源

• 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（0G-3G）

Text
data（已初始化的全局变量和静态变量）
bss（未初始化的全局变量和静态变量）
堆
共享库

线程间共享资源

线程间非共享资源

• 线程id（非LWP），只在进程内部有效
• 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

线程的优缺点

优点：

　　提高程序的并发性
　　开销小，不用重新分配内存
　　通信和共享数据方便

缺点：

　　线程不稳定（库函数实现）
　　线程调试比较困难（gdb支持不好）
　　线程无法使用unix经典事件，例如信号

pthread manpage

查看manpage关于pthread的函数

man -k pthread

安装pthread相关manpage

sudo apt-get install manpages-posix manpages-posix-dev

2.线程原语

pthread_create

创建线程

#include <pthread.h>

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


pthread_t *thread:传递一个pthread_t变量地址进来，用于保存新线程的tid（线程ID）
const pthread_attr_t *attr:线程属性设置，如使用默认属性，则传NULL

void *(*start_routine) (void *):函数指针，指向新线程应该加载执行的函数模块
void *arg:指定线程将要加载调用的那个函数的参数

返回值:成功返回0，失败返回错误号。以前学过的系统函数都是成功返回0，失败返回-1，而错误号保存在全局变
量errno中，而pthread库的函数都是通过返回值返回错误号，虽然每个线程也都有一个errno，但这是为了兼容其它函数接口而提供的，
pthread库本身并不使用它，通过返回值返回错误码更加清晰。

Compile and link with -lpthread.
typedef unsigned long int pthread_t;

pthread_self

获取调用线程tid

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void)

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_t ntid;
void printids(const char *s)
{
    pid_t pid;
    pthread_t tid;
    pid = getpid();
    tid = pthread_self();
    printf("%s pid %u tid %u (0x%x)
", s, (unsigned int)pid,
    (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
}

void *thr_fn(void *arg)
{
    printids(arg);
    return NULL;
}

int main(void)
{
    int err;
    err = pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, "new thread: ");
    if (err != 0) {
    fprintf(stderr, "can't create thread: %s
", strerror(err));
    exit(1);
    }
    printids("main thread:");
    sleep(1);
    return 0;
}

　　由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的办法。

pthread_exit

调用线程退出函数，注意和exit函数的区别，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。需要注意，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。exit关闭C标准文件流并刷新缓冲区。_exit是linux提供的底层函数，导致进程退出，关闭未关闭的文件描述符。  

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
void *retval:线程退出时传递出的参数，可以是退出值或地址，如是地址时，不能是线程内部申请的局部地址。

pthread_join(等价于进程中的wait）

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
pthread_t thread:回收线程的tid
void **retval:接收退出线程传递出的返回值
返回值：成功返回0，失败返回错误号

　　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。

pthread_cancel

在进程内某个进程可以取消另一个线程

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);

被取消的线程，退出值，定义在Linux的pthread库中常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。
可以在头文件pthread.h中找到它的定义：

#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

练习

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void *thr_fn1(void *arg)
{
    printf("thread 1 returning
");
    return (void *)1;
}

void *thr_fn2(void *arg)
{
    printf("thread 2 exiting
");
    pthread_exit((void *)2);
}

void *thr_fn3(void *arg)
{
    while(1) {
    printf("thread 3 writing
");
    sleep(1);
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    void *tret;
    pthread_create(&tid, NULL, thr_fn1, NULL);
    pthread_join(tid, &tret);//若第一线程没有结束，后面的的语句不会执行
    printf("thread 1 exit code %d
", (int)tret);
    //tret接受返回值，强转输出
    pthread_create(&tid, NULL, thr_fn2, NULL);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 2 exit code %d
", (int)tret);

    pthread_create(&tid, NULL, thr_fn3, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, &tret);
    printf("thread 3 exit code %d
", (int)tret);
    return 0;
}
执行
gcc pthread_join.c -lpthread
结果：
thread 1 returning
thread 1 exit code 1
thread 2 exiting
thread 2 exit code 2
thread 3 writing
thread 3 writing
thread 3 writing
thread 3 exit code -1

 pthread_detach 

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t tid);
pthread_t tid:分离线程tid
返回值：成功返回0，失败返回错误号

　　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。如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
void *thr_fn(void *arg)
{
int n = 3;
while (n--) {
printf("thread count %d
", n);
sleep(1);
}
return (void *)1;
}
int main(void)
{
    pthread_t tid;
    void *tret;
    int err;
    pthread_create(&tid, NULL, thr_fn, NULL);
    / /第一次运行时注释掉下面这行，第二次再打开，分析两次结果
    pthread_detach(tid);
    while (1) {
    err = pthread_join(tid, &tret);
    if (err != 0)
    fprintf(stderr, "thread %s
", strerror(err));
    else
    fprintf(stderr, "thread exit code %d
", (int)tret);
    sleep(1);
    }
    return 0;
}

pthread_equal

比较两个线程是否相等

#include <pthread.h>
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);