linux——多线程，线程控制

我的代码爱吃辣2023-10-10 22:37

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一.POSIX线程库

二.线程创建

1.创建线程接口

2.查看线程

3.多线程的健壮性问题

4.线程函数参数传递

5.线程id和地址空间

三.线程终止

1.pthread_exit

2.pthread_cancel

四.线程等待

五.线程分离

一.POSIX线程库

站在内核的角度，OS只有轻量级进程，没有线程的概念，但是站在用户的角度我们只有线程没有轻量级进程的概念。因为Linux下没有真正意义上的线程，而是用进程模拟的线程，所以Linux不会提供直接创建线程的系统调用，最多给我们提供创建轻量级进程的接口。

所以linux对下对LWP的接口进行封装，对上给用户提供线程控制的接口------POSIX线程库，pthread库，这是任何一个linux系统都会带的库，又叫原生线程库。

POSIX线程：

  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。

二.线程创建

1.创建线程接口

功能：创建一个新的线程。

原型：

cpp 复制代码 
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, 
void *(*start_routine)(void*), void *arg);

参数：

  1. thread:返回线程ID。
  2. attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性。
  3. start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数，该函数返回值是void*,参数是void*。
  4. arg:传给线程启动函数的参数。

返回值：

  • 成功返回0；失败返回错误码。

测试代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void *FuncRun(void *argc)
{
    while (1)
    {
        cout << "I am thread,my pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    //线程id
    pthread_t id;
    //创建线程
    pthread_create(&id, NULL, FuncRun, NULL);
    while (1)
    {
        cout << "I am main,my pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

测试结果：

说明：

  1. 线程没有父子之分，但是线程有主线程，和新线程的区分。
  2. 我们可以看到，主线程pid和新线程的pid是相同的。因为他们本身就是同一个进程的一部分。
  3. 新线程和主线程谁先被调度取决于调度器。

2.查看线程

查看线程使用命令:

bash 复制代码 
ps -aL

3.多线程的健壮性问题

测试代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void *FuncRun1(void *argc)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        cout << "I am thread1,my pid:" << getpid() << endl;
        if (count == 5)
        {
            int tmp = count / 0;
        }
        sleep(1);
    }
}
void *FuncRun2(void *argc)
{
    while (1)
    {
        cout << "I am thread2,my pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    // 线程id
    pthread_t id1, id2;
    // 创建线程
    pthread_create(&id1, NULL, FuncRun1, NULL);
    pthread_create(&id2, NULL, FuncRun2, NULL);

    while (1)
    {
        cout << "I am main,my pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

测试结果：

说明：

  1. 代码其中有一个线程在第五秒的时候，会出现一个除0的问题。
  2. 当一个线程因为某一个错处而导致线程终止的时候，整个进程也都会直接终止。
  3. 因为信号是发送给进程的，最终OS直接对由信号做出的处理动作也是针对进程的。

4.线程函数参数传递

我们想通过给线程函数传参让线程执行更加复杂的任务。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

// 任务，计算[1-top]的求和，并将结果存储到sum中。
struct task
{
    task(int top, int num)
        : _thread_name("thread" + to_string(num)), _top(top), _sum(0), _num(num)
    {
    }

    string _thread_name; // 线程名字
    int _top;            // 计算数据范围
    int _sum;            // 结果
    int _num;            // 线程编号
};

// 线程函数
void *FuncRun(void *argc)
{
    task *t = (task *)argc;
    for (int i = 1; i <= t->_top; i++)
    {
        t->_sum += i;
    }
}

int main()
{
    // 线程id
    pthread_t id1, id2;
    // 创建线程

    task t1(100, 1);
    task t2(150, 2);

    pthread_create(&id1, NULL, FuncRun, &t1);
    pthread_create(&id2, NULL, FuncRun, &t2);
    // 等待线程计算完再输出结果
    sleep(1);

    cout << t1._thread_name << ":[1-" << t1._top << "]=" << t1._sum << endl;
    cout << t2._thread_name << ":[1-" << t2._top << "]=" << t2._sum << endl;

    return 0;
}

测试结果：

说明：

  • 由于接口的设计上参数的类型是void* ，这也就使得我们可以给线程函数传递的参数是非常丰富的。

5.线程id和地址空间

  1. pthread_ create 函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中。该线程ID和前面说的线程ID不是一回事。
  2. 前面讲的线程ID属于进程调度的范畴。因为线程是轻量级进程，是操作系统调度器的最小单位，所以需要一个数值来唯一表示该线程。
  3. pthread_ create 函数第一个参数指向一个虚拟内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID，属于NPTL线程库的范畴。线程库的后续操作，就是根据该线程ID来操作线程的。线程库NPTL提供了pthread_ self函数，可以获得线程自身的ID：
cpp 复制代码 
pthread_t pthread_self(void);

pthread_t 到底是什么类型呢？取决于实现。对于Linux目前实现的NPTL实现而言，pthread_t类型的线程ID，本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

我们在对线程做操作的时候，根本上是使用线程库对线程进行操作，那么线程库本质就是存在于linux上的动态库，在我们使用线程库的时候，线程库也会向普通的动态库一样加载到共享区中，我们使用线程库方法就是访问自己的地址空间。

线程库中需要被管理的线程会有很多，线程库也必然实现了线程的数据结构------TCB（线程控制块）。

每个线程都有自己的TCB，和独立的上下文数据，以及线程栈空间。pthread_t 就是指向他们的首地址的一个地址。

三.线程终止

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程,可以有三种方法:

  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。
  2. 线程可以调用pthread_ exit终止自己。
  3. 一个线程可以调用pthread_ cancel终止同一进程中的另一个线程。

1.pthread_exit

功能：线程终止.

原型:void pthread_exit(void *value_ptr);

参数:value_ptr:value_ptr不要指向一个局部变量，返回线程结果。

返回值：无返回值，跟进程一样，线程结束的时候无法返回到它的调用者（自身）。

测试代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void *FuncRun1(void *argc)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        cout << "I am thread-1-count:" << count << endl;
        sleep(1);
        // 三秒后线程1退出
        if (count == 3)
        {
            pthread_exit(NULL);
        }
    }
}

void *FuncRun2(void *argc)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        cout << "I am thread-2-count:" << count << endl;
        sleep(1);
        // 三秒后线程2退出
        if (count == 3)
        {
            pthread_exit(NULL);
        }
    }
}

int main()
{
    // 线程id
    pthread_t id1, id2;
    // 创建线程
    pthread_create(&id1, NULL, FuncRun1, NULL);
    pthread_create(&id2, NULL, FuncRun2, NULL);

    while (1)
    {
        cout << "I am main,my pid:" << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

测试结果：

说明：

  1. 线程在退出后，主线程并没有受到影响，进程也有没受到影响。
  2. 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。

2.pthread_cancel

功能：取消一个执行中的线程

原型：int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数：thread:线程ID

返回值：成功返回0；失败返回错误码

测试代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void *FuncRun1(void *argc)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        cout << "I am thread-1-count:" << count << endl;
        sleep(1);
    }
}
void *FuncRun2(void *argc)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        cout << "I am thread-2-count:" << count << endl;
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    // 线程id
    pthread_t id1, id2;
    // 创建线程
    pthread_create(&id1, NULL, FuncRun1, NULL);
    pthread_create(&id2, NULL, FuncRun2, NULL);
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        sleep(1);

        if (count == 3)
        {
            // 三秒后终止线程
            pthread_cancel(id1);
            pthread_cancel(id2);
        }
        cout << "I am main" << endl;
    }

    return 0;
}

测试结果：

四.线程等待

为什么需要线程等待？

  • 已经退出的线程，其空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内。
  • 创建新的线程不会复用刚才退出线程的地址空间。

功能：等待线程结束。

原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

参数：thread:线程ID。

value_ptr：它指向一个指针，后者指向线程的返回值。

返回值：成功返回0；失败返回错误码。

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:

  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。

测试代码：

cpp 复制代码 
void *FuncRun1(void *argc)
{
    int *top = (int *)argc;
    int *sum = new int;
    for (int i = 1; i <= *top; i++)
    {
        *sum += i;
    }
    // 线程退出
    pthread_exit(sum);
}

void *FuncRun2(void *argc)
{
    int *top = (int *)argc;
    int *sum = new int;
    for (int i = 1; i <= *top; i++)
    {
        *sum += i;
    }
    // 线程退出
    return sum;
}

void *FuncRun3(void *argc)
{
    int *top = (int *)argc;
    int *sum = new int;
    for (int i = 1; i <= *top; i++)
    {
        *sum += i;
        sleep(1);
    }
    free(sum);
    // 线程退出
}

int main()
{

    int top1 = 100;
    int top2 = 150;
    int top3 = 200;

    pthread_t id1;
    pthread_t id2;
    pthread_t id3;

    pthread_create(&id1, NULL, FuncRun1, &top1);
    pthread_create(&id2, NULL, FuncRun2, &top2);
    pthread_create(&id3, NULL, FuncRun3, &top3);
    pthread_cancel(id3);

    // 接受线程返回数据
    void *ret_ptr1;
    void *ret_ptr2;
    void *ret_ptr3;
    // 等待线程
    pthread_join(id1, &ret_ptr1);
    pthread_join(id2, &ret_ptr2);
    pthread_join(id3, &ret_ptr3);

    
    cout << "ret1:" << *((int *)ret_ptr1) << endl;
    free(ret_ptr1);
    cout << "ret2:" << *((int *)ret_ptr2) << endl;
    free(ret_ptr2);
    if (ret_ptr3 == PTHREAD_CANCELED)
        cout << "ret3:PTHREAD_CANCELED" << endl;

    return 0;
}

测试结果：

五.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。
cpp 复制代码 
int pthread_detach(pthread_t thread);

可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离:

cpp 复制代码 
pthread_detach(pthread_self());

joinable 和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的。

测试代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;
void *FuncRun(void *argc)
{
    // 线程分离
    pthread_detach(pthread_self());
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        cout << "I am thread-count:" << count << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid, NULL, FuncRun, NULL);
    if (n != 0)
    {
        cerr << "pthread_create:" << strerror(errno) << endl;
    }

    sleep(2);

    // 线程已经分离，再去线程等待，pthread_join会立即报错。
    if (pthread_join(tid, NULL) == 0)
    {
        printf("pthread wait success\n");
    }
    else
    {
        printf("pthread wait failed\n");
    }

    return 0;
}

测试结果：

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