Linux多线程

1.Linux线程概念

什么是线程？
在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）。更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序列”。

一切进程至少都有一个执行线程。
线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行。
在Linux系统中，在CPU眼中，看到的PCB都要比传统的进程更轻量化。
透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流。

在Linux中，站在CPU的角度，能否识别当前调度的task_struct是进程还是线程？不能，也不需要了，因为CPU只关心一个一个的独立执行流。无论进程内部只有一个执行流还是有多个执行流，CPU都是以task_struct为单位进行调度的，tsak_struct就是一个个执行流。

Linux下并不存在真正的多线程！而是用进程模拟的！线程就是在进程地址空间内，创建task_struct并选择部分代码进行。

2.线程的优点

创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多

与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多,利用了局部性原理，缓存命中。

线程占用的资源要比进程少很多

能充分利用多处理器的可并行数量

在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务

计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

3.线程的缺点

性能损失        一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。

健壮性降低      编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。

缺乏访问控制      进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。

编程难度提高    编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多

4.线程异常

单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃

线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出

5.进程和线程

进程是承担分配系统资源的基本实体，线程是调度的基本单位。

进程和线程可以类比家庭与个人，政府分配房子土地都是以家庭为单位分配，家庭中各个成员各司其职，一起让家庭过的更好，当然家庭中每个人都有自己的私有空间。

线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据：

• 线程ID。
• 一组寄存器。（存储每个线程的上下文信息）
• 栈。（每个线程都有临时的数据，需要压栈出栈）
• errno。（C语言提供的全局变量，每个线程都有自己的）
• 信号屏蔽字。
• 调度优先级。

进程的多个线程共享，因为是在同一个地址空间，因此所谓的代码段（Text Segment）、数据段（Data Segment）都是共享的：

• 如果定义一个函数，在各线程中都可以调用。
• 如果定义一个全局变量，在各线程中都可以访问到。

除此之外，各线程还共享以下进程资源和环境：文件描述符表。（进程打开一个文件后，其他线程也能够看到），每种信号的处理方式（SIG_IGN、SIG_DFL或者自定义的信号处理函数）当前工作目录（cwd）也是共享的。在此之前我们接触到的都是具有一个线程执行流的进程，即单线程进程。

6.linux线程控制

6.1POSIX线程库

pthread线程库是应用层的原生线程库，是根据POSIX的线程标准，定义了创建和操纵线程的一套API，大部分Linux系统都会默认带上该线程库。

1. 应用层指的是这个线程库并不是系统接口直接提供的，而是由第三方帮我们提供的。
2.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。
3.要使用这些函数库，要通过引入头文件<pthreaad.h>。链接这些线程函数库时，要使用编译器命令的“-lpthread”选项。

错误检查：pthreads函数出错时不会设置全局变量errno（而大部分POSIX函数会这样做），而是将错误代码通过返回值返回，因为读取返回值要比读取线程内的errno变量的开销更小。

6.2 线程创建

创建线程的函数叫做pthread_create

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

参数说明：

thread：获取创建成功的线程ID，该参数是一个输出型参数。
attr：用于设置创建线程的属性，传入NULL表示使用默认属性。
start_routine：该参数是一个函数地址，表示线程例程，即线程启动后要执行的函数。
arg：传给线程例程的参数。
返回值说明：

让主线程创建一个新线程，线程创建成功返回0，失败返回错误码。

例子如下：

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>

using namespace std;
void* run(void* msg)
{
    //新线程执行的方法
    while(1)
    {
        cout<<"I am new thread: my name is"<<(char*)msg<<endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    //创建线程
    pthread_create(&tid,nullptr,run,(void*)"thread 1");

    while(1)
    {
        cout<<"I am main thread "<<endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

运行代码后可以看到，新线程每隔一秒执行一次打印操作，而主线程每隔两秒执行一次打印操作。

使用ps -aL命令，可以显示当前的轻量级进程。

• 默认情况下，不带-L，看到的就是一个个的进程。
• 带-L就可以查看到每个进程内的多个轻量级进程。

• 其中，LWP（Light Weight Process）就是轻量级进程的ID，可以看到显示的两个轻量级进程的PID是相同的，因为它们属于同一个进程。在Linux中，应用层的线程与内核的LWP是一一对应的，实际上操作系统调度的时候采用的是LWP，而并非PID，只不过我们之前接触到的都是单线程进程，其PID和LWP是相等的，所以对于单线程进程来说，调度时采用PID和LWP是一样的。

获取线程id：

见获取线程ID的方式有两种：

• 创建线程时通过输出型参数获得。
• 通过调用pthread_self函数获得。

pthread_self函数的函数原型如下：

pthread_t pthread_self(void);

用pthread_self函数获得的线程ID与内核的LWP的值是不相等的，pthread_self函数获得的是用户级原生线程库的线程ID，而LWP是内核的轻量级进程ID，它们之间是一对一的关系。

我们将上面代码稍微改造：

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>

using namespace std;
void* run(void* msg)
{
    //新线程执行的方法
    while(1)
    {
        cout<<"I am thread1 my pid is: "<<getpid()
        <<"   thread id is："<<pthread_self()<<endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    //创建线程
    pthread_create(&tid,nullptr,run,(void*)"thread 1");

    while(1)
    {
        cout<<"I am main thread my pid is: "<<getpid()
        <<"   thread id is："<<pthread_self()
        <<" tid is"<<tid<<endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

ps -aL查看内核中的LWP

实际打印的用户级原生线程库的线程ID，可以看到tid和子线程id相同

6.3 线程等待

首先需要明确的是，一个线程被创建出来，这个线程就如同进程一般，也是需要被等待的。如果主线程不对新线程进行等待，那么这个新线程的资源（task_struct）也是不会被回收的。所以线程需要被等待，如果不等待会产生类似于“僵尸进程”的问题，也就是内存泄漏。

等待线程的函数叫做pthread_join

pthread_join函数的函数原型如下：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

参数说明：

thread：被等待线程的ID。
retval：线程退出时的退出码信息。
返回值说明：

线程等待成功返回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。

下面我们再来看看如何获取线程退出时的退出码，为了便于查看，我们这里将线程退出时的退出码设置为某个特殊的值，并在成功等待线程后将该线程的退出码进行输出。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void *run(void *msg)
{
    int count = 0;
    while (count < 5)
    {
        cout << "I am " << (char *)msg
             << "my thread id is " << pthread_self() << endl;
        count++;
        sleep(1);
    }
    return (void *)16;
}

int main()
{
    // 创建五个线程
    pthread_t tid[5];
    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        //string s = "thread-" + to_string(i);
        char *buffer=new char [64];
        snprintf(buffer,63,"thread%ld",i);
        pthread_create(&tid[i], nullptr, run, (void *)buffer);
    }
    // 进行线程等待

    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        void *ret;
        pthread_join(tid[i], &ret); // ret是输出型参数
        int *m = (int *)ret;
        cout << "thread " << i << "quit:, " << "exit code is" << m << endl;
    }
}

运行代码，可以看到一旦某个线程崩溃了，整个进程也就跟着挂掉了，此时主线程连等待新线程的机会都没有，这也说明了多线程的健壮性不太强，一个进程中只要有一个线程挂掉了，那么整个进程就挂掉了。并且此时我们也不知道是由于哪一个线程崩溃导致的，我们只知道是这个进程崩溃了。所以pthread_join函数只能获取到线程正常退出时的退出码，用于判断线程的运行结果是否正确。

6.3 线程终止

如果需要只终止某个线程而不是终止整个进程，可以有三种方法：

1. 从线程函数return。
2. 线程可以自己调用pthread_exit函数终止自己。
3. 一个线程可以调用pthread_cancel函数终止同一进程中的另一个线程。

第一种就是前面所用的return返回。

第二种：pthread_exit函数的功能就是终止线程，哪个线程调用就终止谁，pthread_exit函数的函数原型如下：

void pthread_exit(void *retval);

参数说明：

• retval：线程退出时的退出码信息。
• 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，因为当其他线程得到这个返回指针时，线程函数已经退出了。

在下面代码中，我们使用pthread_exit函数终止线程，并将线程的退出码设置为6666。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	int count = 0;
	while (count < 5){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
		count++;
	}
	pthread_exit((void*)6666);
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		void* ret = NULL;
		pthread_join(tid[i], &ret);
		printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
	}
	return 0;
}

第三种线程取消函数：

线程是可以被取消的，我们可以使用pthread_cancel函数取消某一个线程，pthread_cancel函数的函数原型如下：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数说明：

• thread：被取消线程的ID。

返回值说明：

• 线程取消成功返回0，失败返回错误码。

线程是可以取消自己的，取消成功的线程的退出码一般是-1，线程可以自己取消自己，但一般不这样做，我们往往是用于一个线程取消另一个线程，比如主线程取消新线程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

pthread_t main_thread;

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	int count = 0;
	while (count < 5){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
		count++;
		pthread_cancel(main_thread);
	}
	pthread_exit((void*)6666);
}
int main()
{
	main_thread = pthread_self();
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		void* ret = NULL;
		pthread_join(tid[i], &ret);
		printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
	}
	return 0;
}

注意：

1. 当采用这种取消方式时，主线程和各个新线程之间的地位是对等的，取消一个线程，其他线程也是能够跑完的，只不过主线程不再执行后续代码了。
2. 我们一般都是用主线程去控制新线程，这才符合我们对线程控制的基本逻辑，虽然实验表明新线程可以取消主线程，但是并不推荐该做法。

6.4 分离线程

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，从而造成内存泄漏。
2. 但如果我们不关心线程的返回值，join也是一种负担，此时我们可以将该线程进行分离，后续当线程退出时就会自动释放线程资源。
3. 一个线程如果被分离了，这个线程依旧要使用该进程的资源，依旧在该进程内运行，甚至这个线程崩溃了一定会影响其他线程，只不过这个线程退出时不再需要主线程去join了，当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。
4. 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。
5. joinable和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的。

分离线程的函数叫做pthread_detach

pthread_detach函数的函数原型如下：

int pthread_detach(pthread_t thread);

例如，下面我们创建五个新线程后让这五个新线程将自己进行分离，那么此后主线程就不需要在对这五个新线程进行join了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	pthread_detach(pthread_self()); //这里执行线程分离，也可以在主线程执行
	char* msg = (char*)arg;
	int count = 0;
	while (count < 5){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
		count++;
	}
	pthread_exit((void*)6666);
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	while (1){
		printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

7.线程ID及进程地址空间布局

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。

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。

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，pthread_t pthread_self(void);

pthread_t 到底是什么类型呢？

首先，Linux不提供真正的线程，只提供LWP，也就意味着操作系统只需要对内核执行流LWP进行管理，而供用户使用的线程接口等其他数据，应该由线程库自己来管理，因此管理线程时的“先描述，再组织”就应该在线程库里进行。通过ldd命令可以看到，我们采用的线程库实际上是一个动态库。进程运行时动态库被加载到内存，然后通过页表映射到进程地址空间中的共享区，此时该进程内的所有线程都是能看到这个动态库的。

我们说每个线程都有自己私有的栈，其中主线程采用的栈是进程地址空间中原生的栈，而其余线程采用的栈就是在共享区中开辟的。除此之外，每个线程都有自己的struct pthread，当中包含了对应线程的各种属性；每个线程还有自己的线程局部存储，当中包含了对应线程被切换时的上下文数据。
每一个新线程在共享区都有这样一块区域对其进行描述，因此我们要找到一个用户级线程只需要找到该线程内存块的起始地址，然后就可以获取到该线程的各种信息。

上面我们所用的各种线程函数，本质都是在库内部对线程属性进行的各种操作，最后将要执行的代码交给对应的内核级LWP去执行就行了，也就是说线程数据的管理本质是在共享区的，它是由我们的pthread库去进行线程的管理，而进程的管理由OS完成。

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。