Linux多线程

一个线程的生命周期起始于它被创建的那一刻，创建线程的接口：

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

• 函数说明：
  • POSIX thread 简称 pthread
  • pthread_t 是 unsigned long int 类型的变量，用来表示线程的ID

• 函数参数：

  • thread(输出参数)，由pthread_create在线程创建成功后返回的线程句柄，该句柄在后续操作线程的API中用于标志该新建的线程；
  • start_routine(输入参数)，新建线程的入口函数；
  • arg(输入参数)，传递给新线程入口函数的参数；
  • attr(输入参数)，指定新建线程的属性，如线程栈大小等；如果值为NULL，表示使用系统默认属性。

• 函数返回值：

  • 成功，返回0；
  • 失败，返回相关错误码。

• 需要注意：

  • 主线程，这是一个进程的初始线程，其入口函数为main函数。
  • 新线程的运行时机，一个线程被创建之后有可能不会被马上执行，甚至，在创建它的线程结束后还没被执行；也有可能新线程在当前线程从pthread_create前就已经在运行，甚至，在pthread_create前从当前线程返回前新线程就已经执行完毕。

线程ID

在新线程被创建后，便有了一个在其所在进程内(线程依附于进程而存在)唯一的标识符，由pthread_t表示，称为线程ID。一个线程可以调用以下接口获取其ID：

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

• pthread_self直接返回调用线程的ID。

判断两个线程ID的大小是没有任何意义的，但有时可能需要判断两个给定的线程ID是否相等，使用以下接口：

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

• pthread_equal如果t1和t2所指定的线程ID相同，返回0；否则返回非0值。

从系统实现的角度观察线程的创建

创建一个新的线程，从系统实现的角度看，就是创建了一个新的可调度实体；同一个进程内的线程，共享绝大部分进程的资源，只有少部分信息是线程所特有的，如栈和线程特有数据等。下图(图片来源于《Linux/UNIX系统编程手册》)是假设一个进程内存在4个线程时，内存资源的分配情况：

可以看出，同一进程内的线程间除了栈是特有的，其他内存资源几乎都是共享的。共享意味着，多个线程可以同时修改某一内存区，且该修改对同一进程的所有线程都是可见的。

线程的终止

一个线程的终止分两种形式：被动终止和主动终止

被动终止有两种方式：

1. 线程所在进程终止，任意线程执行exit函数，都会导致进程终止，从而导致依附于该进程的所有线程终止。
2. 其他线程调用pthread_cancel请求取消该线程。

主动终止也有两种方式：

1. 在线程的入口函数中执行return语句，main函数(主线程入口函数)执行return语句会导致进程终止，从而导致依附于该进程的所有线程终止。
2. 线程调用pthread_exit函数，main函数(主线程入口函数)调用pthread_exit函数， 主线程终止，但如果该进程内还有其他线程存在，进程会继续存在，进程内其他线程继续运行。

线程终止函数：

include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

• 线程调用pthread_exit函数会导致该调用线程终止，并且返回由retval指定的内容(如何获取返回值后面介绍)。
• 注意:retval不能指向该线程的栈空间，否则可能成为野指针！

管理线程的终止

线程的连接

一个线程的终止对于另外一个线程而言是一种异步的事件，有时我们想等待某个ID的线程终止了再去执行某些操作，pthread_join函数为我们提供了这种功能，该功能称为线程的连接：

include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• 参数说明：
  • thread(输入参数)，指定我们希望等待的线程
  • retval(输出参数)，我们等待的线程终止时的返回值，就是在线程入口函数中return的值或者调用pthread_exit函数的参数
• 返回值：
  • 成功时，返回0
  • 错误时，返回正数错误码

当线程X连接线程Y时，如果线程Y仍在运行，则线程X会阻塞直到线程Y终止；如果线程Y在被连接之前已经终止了，那么线程X的连接调用会立即返回。

连接线程其实还有另外一层意义，一个线程终止后，如果没有人对它进行连接，那么该终止线程占用的资源，系统将无法回收，而该终止线程也会成为僵尸线程。因此，当我们去连接某个线程时，其实也是在告诉系统该终止线程的资源可以回收了。

注意:对于一个已经被连接过的线程再次执行连接操作， 将会导致无法预知的行为！**

线程的分离

有时我们并不在乎某个线程是不是已经终止了，我们只是希望如果某个线程终止了，系统能自动回收掉该终止线程所占用的资源。pthread_detach函数为我们提供了这个功能，该功能称为线程的分离：

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

• 参数说明：
  • thread(输入参数)，指定希望执行分离操作的线程
• 返回值：
  • 成功时，返回0
  • 错误时，返回正数错误码

默认情况下，一个线程终止了，是需要在被连接后系统才能回收其占有的资源的。如果我们调用pthread_detach函数去分离某个线程，那么该线程终止后系统将自动回收其资源。

注意，一个线程如果已经被分离了，那么我们就无法再去连接它了

例子：

/*
* 文件名： thread_sample1.c
* 描述：演示线程基本操作
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

/*子线程1入口函数*/
void *thread_routine1(void *arg)
{
    fprintf(stdout, "thread1: hello world!
");
    sleep(1);
    /*子线程1在此退出*/
    return NULL;
}

/*子线程2入口函数*/
void *thread_routine2(void *arg)
{

    fprintf(stdout, "thread2: I'm running...
");
    pthread_t main_thread = (pthread_t)arg;

    /*分离自我，不能再被连接*/
    pthread_detach(pthread_self());

    /*判断主线程ID与子线程2ID是否相等*/
    if (!pthread_equal(main_thread, pthread_self())) {
        fprintf(stdout, "thread2: main thread id is not equal thread2
");
    }

    /*等待主线程终止*/
    pthread_join(main_thread, NULL);
    fprintf(stdout, "thread2: main thread exit!
");

    fprintf(stdout, "thread2: exit!
");
    fprintf(stdout, "thread2: process exit!
");
    /*子线程2在此终止，进程退出*/
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    /*创建子线程1*/
    pthread_t t1;
    if (pthread_create(&t1, NULL, thread_routine1, NULL)!=0) {
        fprintf(stderr, "create thread fail.
");
        exit(-1);
    }
    /*等待子线程1终止*/
    pthread_join(t1, NULL);
    fprintf(stdout, "main thread: thread1 terminated!

");

    /*创建子线程2，并将主线程ID传递给子线程2*/
    pthread_t t2;
    if (pthread_create(&t2, NULL, thread_routine2, (void *)pthread_self())!=0) {
        fprintf(stderr, "create thread fail.
");
        exit(-1);
    }

    fprintf(stdout, "main thread: sleeping...
");
    sleep(3);
    /*主线程使用pthread_exit函数终止，进程继续存在*/
    fprintf(stdout, "main thread: exit!
");
    pthread_exit(NULL);    

    fprintf(stdout, "main thread: never reach here!
");
    return 0;
}