看看多线程,其实没那么可怕----小话多线程(1)

作者：陈曦

日期：2012-8-2 9:55:28

环境：[Mac 10.7.1 Lion Intel i3 支持64位指令 gcc4.2.1 xcode4.2]

转载请注明出处

Q1：对于主线程，创建一个子线程，如何传参数给它？

A：对于pthread线程接口，线程函数参数就满足了这个要求。如下代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define PRINT_U(uintValue)   printf(#uintValue" is %lu\n", (uintValue));
#define PRINT_STR(str)      printf(#str" is %s\n", (str));
// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
char *s = (char *)arg;
PRINT_STR(s)
return NULL;
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, "son thread");
if(ret != 0)
{
perror("pthread_create error");
return -1;
}
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
if(ret != 0)
{
perror("pthread_join error");
return -1;
}
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

运行结果：

s is son thread
[Main Thread]End...

Q2：上面的传递参数，可以将主线程内部的栈变量直接传递给子线程吗？

A：当然可以，不管是主线程还是子线程，虽然它们的堆栈不同，但是堆栈同属进程空间，各个线程都可以使用(当然，有的是只读区域只能读)。如下代码：

// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
int *i = (int *)arg;
printf("son thread i: %d\n", *i);
*i = 100;       // modify main thread local var: local
return NULL;
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
int local = 12;
// pass the local value to son thread
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, &local);
if(ret != 0)
{
perror("pthread_create error");
return -1;
}
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
if(ret != 0)
{
perror("pthread_join error");
return -1;
}
// now output the value that be modified by son thread
PRINT_D(local)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

上面的代码，头文件和一些宏定义和最初的代码一致，因为篇幅问题就不会一直用完整的代码了。

上面的代码中，父线程将局部变量local地址传递给子线程，子线程修改它的值；子线程返回后，父线程再输出local的值。

son thread i: 12
local is 100
[Main Thread]End...

Q3：子线程的返回值void *, 它如何被主线程使用？

A：主线程调用pthread_join阻塞自己，等待子线程执行完毕； pthread_join函数的第二个参数即可接收子线程的返回值。如下代码：

// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
int *i = (int *)arg;
*i = 100;       // modify main thread local var: local
return (void *)*i;
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
int local = 12;
void *sonthread_ret;
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, &local);
if(ret != 0)
{
perror("pthread_create error");
return -1;
}
// sonthread_ret will store the son thread's return value
ret = pthread_join(son_thread, &sonthread_ret);
if(ret != 0)
{
perror("pthread_join error");
return -1;
}
PRINT_D((int)sonthread_ret)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

上面的代码，pthread_join的第二个参数将会保存子线程返回的数值；主线程最终把它输出。结果如下：

(int)sonthread_ret is 100
[Main Thread]End...

Q4： pthread_create和pthread_join的函数返回值如果是非0，说明不成功，判断语句长度有点长，能不能缩短点？

A：使用宏。如下：

#define PTHREAD_ERROR(func, ret, return_value)     \
if((ret) != 0)        \
{   \
perror(#func" error");  \
printf("ret is %d\n", (ret));   \
return (return_value);  \
}

上面的main函数代码就缩短为：

// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
int local = 12;
void *sonthread_ret;
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, &local);
PTHREAD_ERROR(pthread_create, ret, -1)
// sonthread_ret will store the son thread's return value
ret = pthread_join(son_thread, &sonthread_ret);
PTHREAD_ERROR(pthread_join, ret, -1)
PRINT_D((int)sonthread_ret)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

看起来关键和主体部分更容易看出来。

Q5： main函数最后的返回值改为 return -1; 后，为什么在bash中执行后，查看返回值得到的是255呢？

A：这是因为在bash中，$?是无符号型整数，并且是1个字节的。-1在内存中1字节保存的是0xFF,所以得到255.

Q6：子线程调用exit一样会结束进程吗？

A：是的。但是这里要注意子线程直接结束进程主线程是否还需要做什么，同时内存和资源的释放需要得到正确处理。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define PRINT_U(uintValue)   printf(#uintValue" is %lu\n", (uintValue));
#define PRINT_STR(str)      printf(#str" is %s\n", (str));
#define RETURN_ERROR(func, ret, return_value)     \
if((ret) != 0)        \
{   \
perror(#func" error");  \
printf("ret is %d\n", (ret));   \
return (return_value);  \
}
// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
exit(-1);
return NULL;
}
void    exit_process()
{
printf("process will exit\n");
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
ret = atexit(exit_process);
RETURN_ERROR(atexit, ret, -1)
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_create, ret, -1)
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_join, ret, -1)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

上面的代码中，主线程注册了进程结束事件；在子线程中调用exit结束进程，最后的输出：

process will exit

可以看到，atexit注册的函数执行了，但是主线程最后的输出没有完成。可以看到，子线程调用exit可能导致主线程不能正常完成操作，所以需要小心调用。同时，在这里，之前的PTHREAD_ERROR宏也被改为了RETURN_ERROR.

Q7： pthread_create创建子线程返回后，子线程就可能已经执行了，有什么办法让此函数返回后子线程函数具体代码还没有开始执行？

A：可以使用互斥体，主线程调用pthread_create前和子线程开始执行时用互斥体锁住。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define PRINT_U(uintValue)   printf(#uintValue" is %lu\n", (uintValue));
#define PRINT_STR(str)      printf(#str" is %s\n", (str));
#define FOREVER_PRINT       { while(1)    printf("...");}
#define RETURN_ERROR(func, ret, return_value)     \
if((ret) != 0)        \
{   \
perror(#func" error");  \
printf("ret is %d\n", (ret));   \
return (return_value);  \
}
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
int i = 0;
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("son thread:%d\n", i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("pthread_create begin...\n");
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_create, ret, -1)
sleep(1);
printf("pthread_create ok...\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_join, ret, -1)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

上面的代码，主线程创建子线程代码前面使用mutex进行了lock操作；创建完毕后，主线程睡眠1秒，然后解锁。下面是输出结果：

pthread_create begin...
pthread_create ok...
son thread:0
[Main Thread]End...

可以看出，尽管创建完子线程主线程睡眠1秒，因为mutex被锁住的原因，子线程函数代码还无法真正执行。

Q8：为什么有时使用printf输出数据，执行后却看不到任何数据输出？

A：这很可能是printf使用了缓冲导致的,如果需要及时在控制台看到输出，需要使用fflush(stdout);或者使用使用换行符作为输出结束。

Q9：如何判断当前执行线程是否是主线程？

A：如果仅仅在主线程或者子线程执行函数中，这基本上不需要判断就可以知道是否是主线程；但是，如果它们都调用了另外一个函数，那么在调用此函数时到底是主线程还是子线程就可能需要判断了。

pthread_t main_thread;
void    print_hello()
{
if(pthread_equal(pthread_self(), main_thread))
printf("main thread call it\n");
else
printf("son thread call it\n");
printf("hello\n");
}
// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
print_hello();
return NULL;
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
main_thread = pthread_self();   // save main thread
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_create, ret, -1)
print_hello();
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_join, ret, -1)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

pthread_self得到当前线程的pthread_t类型数据，通过pthread_equal即可判断线程对应的pthread_t类型是否相同，也就可以比较线程相同。

如下输出结果：

main thread call it
son thread call it
hello
hello
[Main Thread]End...

Q10：为什么主线程调用print_hello函数的两句printf的输出是分离的?

A：这就体现了线程并发执行的特性，创建了子线程，它就会开始运行，它和主线程并发运行，可以说，一般情况下，根本不会知道到底是哪个线程一定会被执行，这完全依赖于操作系统的调度策略；当然，如果有意进行了睡眠、延迟，这样会一般改变执行的顺序。如果不希望出现上面的这种分离情况，可以改代码：

// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
main_thread = pthread_self();   // save main thread
print_hello();
ret = pthread_create(&son_thread, NULL, son_thread_func, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_create, ret, -1)
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_join, ret, -1)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

上面将主线程的print_hello放到创建子线程前面，就可以避免输出错乱了：

main thread call it
hello
son thread call it
hello
[Main Thread]End...

Q11：为什么上面的两个线程各自调用printf输出，输出结果却没有出现输出数据混乱显示在一起？printf内部已经实现了互斥访问了吗？

A：是的。POSIX标准要求ANSI I/O函数是实现互斥访问的。c语言的I/O函数在各个主流平台上，基本上都实现了互斥访问。当然，各个平台可能也保留了未实现互斥访问的I/O 函数。比如，putchar_unlocked函数等等。putchar_unlocked是和putchar对应的，前面表示没有对输出加锁，后面进行了加锁。下面就比较它们的效率：

#include <time.h>
#define MACRO_TIME_BEGIN(loopCount) \
{       \
clock_t begin, end;     \
begin = clock();       \
for(int i = 0; i < (loopCount); ++i)  \
{       \
#define MACRO_TIME_END      \
}       \
end = clock(); \
printf("\ntime is %f s\n", (double)(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC);   \
}
flockfile(stdout);              // lock stdout
MACRO_TIME_BEGIN(100000)
putchar_unlocked('a');
MACRO_TIME_END                  // 0.170801 s
funlockfile(stdout);            // unlock stdout
MACRO_TIME_BEGIN(100000)
putchar('a');
MACRO_TIME_END                  // 0.193599 s

两个操作均操作10万次，上面的耗时表示几次测试的一个平均数值。可以看出，putchar_unlocked少了加解锁过程，耗时少一些。

Q12：对于新创建的线程，可以修改它的堆栈大小吗？

A：对于主线程，可以根据系统或者编译器设置堆栈大小；对于子线程，可以通过pthread_attr_setstacksize来设置堆栈大小，但是必须在创建线程时传入此属性参数。如下首先是获取堆栈大小的示例：

// son thread
void    *son_thread_func(void *arg)
{
// use a 512KB stack， buf is too big that it will crash
char buf[524288] = {0};
return NULL;
}
// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
pthread_attr_t thread_attr;
size_t stack_size;
ret = pthread_attr_init(&thread_attr);
RETURN_ERROR(pthread_attr_init, ret, -1)
ret = pthread_attr_getstacksize(&thread_attr, &stack_size);
RETURN_ERROR(pthread_attr_getstacksize, ret, -1)
PRINT_U(stack_size)
ret = pthread_create(&son_thread, &thread_attr, son_thread_func, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_create, ret, -1)
ret = pthread_attr_destroy(&thread_attr);
RETURN_ERROR(pthread_attr_destroy, ret, -1)
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_join, ret, -1)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

pthread_create的第二个参数传入了pthread_attr_t类型的属性参数，此属性中包含了堆栈大小。运行：

stack_size is 524288
Bus error: 10

可以看到，子线程堆栈大小默认为524288，即512KB. 后面的执行出现错误了。使用xcode调试，

可以看出，确实在子线程栈对象buf处出现了异常。对于堆栈大小，mac系统默认主线程为8MB，子线程默认512KB， ios上主线程默认1MB，子线程为512KB.下面就通过代码来修改子线程堆栈，使得子线程不崩溃：

// main thread
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t son_thread;
int ret;
pthread_attr_t thread_attr;
size_t stack_size;
ret = pthread_attr_init(&thread_attr);
RETURN_ERROR(pthread_attr_init, ret, -1)
ret = pthread_attr_getstacksize(&thread_attr, &stack_size);
RETURN_ERROR(pthread_attr_getstacksize, ret, -1)
PRINT_U(stack_size)
// set big stack, than the son thread won't crash
ret = pthread_attr_setstacksize(&thread_attr, stack_size * 2);
RETURN_ERROR(pthread_attr_setstacksize, ret, -1)
ret = pthread_attr_getstacksize(&thread_attr, &stack_size);
RETURN_ERROR(pthread_attr_getstacksize, ret, -1)
printf("stack_size new value: %d\n", stack_size);
ret = pthread_create(&son_thread, &thread_attr, son_thread_func, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_create, ret, -1)
ret = pthread_attr_destroy(&thread_attr);
RETURN_ERROR(pthread_attr_destroy, ret, -1)
ret = pthread_join(son_thread, NULL);
RETURN_ERROR(pthread_join, ret, -1)
printf("[Main Thread]End...\n");
return 0;
}

输出结果：

stack_size is 524288
stack_size new value: 1048576
[Main Thread]End...

程序正常结束。

这篇主要讲述了多线程创建的基本过程，下一篇将是多线程退出需要注意的地方。

作者：陈曦

日期：2012-8-2 9:55:28

环境：[Mac 10.7.1 Lion Intel i3 支持64位指令 gcc4.2.1 xcode4.2]

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