Linux多线程编程入门

1 线程基本知识

\quad进程是资源管理的基本单元，而线程是系统调度的基本单元，线程是操作系统能够进行调度运算的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

\quad一个进程在某一个时刻只能做一件事情，有了多个控制线程以后，在程序的设计成在某一个时刻能够做不止一件事，每个线程处理独自的任务。

\quad需要注意的是：即使程序运行在单核处理器上，也能够得到多线程编程模型的好处。处理器的数量并不影响程序结构，所以不管处理器个数多少，程序都可以通过线程得以简化。

\quadlinux操作系统使用符合POSIX线程作为系统标准线程，该POSIX线程标准定义了一整套操作线程的API。

2. 线程标识

\quad与进程有一个ID一样，每个线程有一个线程ID，所不同的是，进程ID在整个系统中是唯一的，而线程是依附于进程的，其线程ID只有在所属的进程中才有意义。线程ID用pthread_t表示。

//pthread_self直接返回调用线程的ID
include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);

\quad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：

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

3. 线程创建

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。

程序实例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void printids(const char *s){pid_t pid;pthread_t tid;pid = getpid();tid = pthread_self();printf("%s, pid %lu tid %lu (0x%lx)\n",s,(unsigned long)pid,(unsigned long)tid,(unsigned long)tid);
}void *thread_func(void *arg){printids("new thread: ");return ((void*)0);
}
int main() {int err;pthread_t tid;err = pthread_create(&tid,NULL,thread_func,NULL);if (err != 0) {fprintf(stderr,"create thread fail.\n");exit(-1); }printids("main thread:");sleep(1);   return 0;
}

注意上述的程序中，主线程休眠一秒，如果不休眠，则主线程不休眠，则其可能会退出，这样新线程可能不会被运行，我自己注释掉sleep函数，发现好多次才能让新线程输出。

编译命令：

gcc -o thread thread.c -lpthread

运行结果如下：

main thread:, pid 889 tid 139846854309696 (0x7f30a212f740)
new thread: , pid 889 tid 139846845961984 (0x7f30a1939700)

可以看到两个线程的进程ID是相同的。其共享进程中的资源。

4. 线程终止

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：

线程所在进程终止，任意线程执行exit、_Exit或者_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。
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：

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。
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);

\quad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。
\quad注意:retval不能指向该线程的栈空间，否则可能成为野指针！

5. 管理线程的终止

5.1 线程的连接

\quad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

\quad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。

\quad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。

\quad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！

5.2 线程的分离

\quad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);

\quad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。

/*
* 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!\n");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...\n");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\n");}/*等待主线程终止*/pthread_join(main_thread, NULL);fprintf(stdout, "thread2: main thread exit!\n");fprintf(stdout, "thread2: exit!\n");fprintf(stdout, "thread2: process exit!\n");/*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.\n");exit(-1);}/*等待子线程1终止*/pthread_join(t1, NULL);fprintf(stdout, "main thread: thread1 terminated!\n\n");/*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.\n");exit(-1);}fprintf(stdout, "main thread: sleeping...\n");sleep(3);/*主线程使用pthread_exit函数终止，进程继续存在*/fprintf(stdout, "main thread: exit!\n");pthread_exit(NULL);    fprintf(stdout, "main thread: never reach here!\n");return 0;
}

最终的执行结果如下：

thread1: hello world!
main thread: thread1 terminated!main thread: sleeping...
thread2: I'm running...
thread2: main thread id is not equal thread2
main thread: exit!
thread2: main thread exit!
thread2: exit!
thread2: process exit!

参考资料：

https://www.shiyanlou.com/courses/731
《unix环境高级编程》