【Linux】线程的控制

喜欢ヅ旅行 2021-11-14 13:02 303阅读 0赞

在上篇博客[线程的概念][Link 1]中，我讲到线程很多优点，但是缺乏合理的访问控制，所以我们就来看一下怎么控制线程吧~

#### POSIX 线程库 ####

我们知道Linux中并没有真正的线程，CPU眼中看到的只有进程实体，所以线程就成了一个虚无的东西，也就意味着Linux并没有提供一组系统调用管理线程。那既然操作系统没有为我们提供结构，我们就自己实现一组接口来管理线程。

POSIX表示可移植操作系统接口，这里我们介绍的这些函数也遵循POSIX标准，这些函数是一组用户级别的调用，与有关的函数构成了一个完整的系列，大多数名字都是以"pthread\_“开头的，而要使用函数库，我们就要引入头文件<pthread.h>，并且这里**最重要的一点是我们在链接这些线程函数库时编译时需要加上”-pthread"选项**，-l 表示链接了第三方库。  
![在这里插入图片描述][201907312101453.png]

##### 1. 线程创建 #####

![在这里插入图片描述][20190731210705507.png]  
参数一：返回线程的id，一个输出型参数  
参数二：设置线程的属性，使用nullptr表示默认属性  
参数三：让子线程执行函数的地址，函数的名称  
参数四：子线程执行函数的参数  
返回值：成功返回0，失败返回错误码  
**我们创建一个线程试试：**

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    using namespace std;
    
    void *handle(void *arg)
    {
    	while(1)
    	{
    		cout<<"i am new thread"<<endl;
    		sleep(1);
    	}
    }
    int main()
    {
    	pthread_t tid;
    	pthread_create(&tid,NULL,handle,(void*)"thread 1");
    	while(1)
    	{
    		cout<<"i am main thread"<<endl;
    		sleep(2);
    	}
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**查看我们创建的线程：**

> ps -ajL  
> \-L 选项可以显示出线程的相关信息

![在这里插入图片描述][20190801114057755.png]

*  通过上图我们看到有两个进程的PID相同为8974，即说明这两个不是真的进程。而二者的LWP（light weighted process）不相同，说明这两个是不同的轻量级进程即线程。**实际上cpu调度一个任务的单位是lwp**，而前面我们讲到进程的调度单位是PID是针对单线程的进程来说的。
 *  每一个用户态的线程，在内核中都对应一个调度实体，因此OS要进行管理线程就需要先描述后组织，从而线程也拥有自己的进程描述符（task\_struct结构体），线程局部存储和线程栈，而结构体开始的地址就是找到某一个描述线程结构的地址，所以**用来唯一标识线程的一个整型变量tid就是这些线程描述的首地址，而LWP是用来调度的ID。**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]
 *  注意 ：线程和进程不同，进程有父进程的概念。但在线程组里，**所有线程都是对等关系。** 即同一个进程中的线程称为一个线程组，他们没有层次关系，只有主线程和新线程之分。

#### 线程终止 ####

想要不通过终止进程来终止线程，有以下三种方法：

1.  从线程函数return。对于主线程return，就相当于对main函数调用exit。
2.  线程可以调用pthread\_exit终止自己。

> ![在这里插入图片描述][20190801122801733.png]

1.  一个线程可以调用pthread\_cancel函数终止线程组中的其他线程。一般用于主线程取消其他新线程的场景。

> ![在这里插入图片描述][20190801123026440.png]  
> 这里有一个细节是，当你在主线程中取消子线程时，需要保证子线程在主线程被调度之后被取消，否则将拿不到正确的结果。如果子线程被正确的取消那么join函数中的指针将会指向-1.

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    using namespace std;
    void* handle(void *arg)
    {
    	int i=3;
    	while(i--)
    	{
    		cout<<"i am new"<<endl;
    	}
    	pthread_exit((void*)2);
    }
    int main()
    {
    	pthread_t tid;
    	pthread_create(&tid,NULL,handle,(void*)"thread 1");
    	void* status;
    	pthread_join(tid,&status);
    	cout<<(int*)status<<endl;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][2019080113414567.png]

#### 线程等待 ####

1.  主线程等待的原因：

> 防止内存泄漏  
> 主线程获得新线程的退出状态  
> 保证线程退出顺序的同步性

1.  等待函数

> ![在这里插入图片描述][20190801120651424.png]  
> 参数一是等待线程的ID，参数二指向一个指针，后者指向线程的返回值  
> 函数调用成功返回0，失败返回错误码

1.  调用该函数的线程将被挂起等待，直到ID为thread的线程终止。所以线程的终止方法不同时，join得到的终止状态是不同的。

> 这里有一个线程退出的小细节，join函数的第二个参数目的取到线程退出的退出码，这里仅仅是退出码，不像我们进程等待时那样可以判断是否是信号所终止的，因为线程是进程的一个分支，只要线程异常进程就会退出，所以不可能拿到异常码，仅仅可以拿到退出码  
> 1.如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放函数的返回值。  
> 2.如果thread线程因为其他线程调用pthread\_cancel函数而异常终止，则retval所指向的单元中存放常量 PTHREADCANLELED。  
> 3.如果thread线程自己调用pthread\_exit函数而终止，retval所指向的单元中存放传给exit函数的参数。  
> 4.如果对thread线程的终止状态无兴趣，则直接给第二个参数传NUL即可。

1.  测试代码

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    using namespace std;
    void* handle(void* arg)
    {
    	int i=3;
    	while(i--)
    		cout<<"i am new"<<endl;
    	return (void*)1;
    }
    
    int main()
    {
    	pthread_t tid;
    	pthread_create(&tid,NULL,handle,(void*)"thread 1");
    	void* status;
    	pthread_join(tid,&status);
    	cout<<(int*)status<<endl;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][2019080119020571.png]

#### 线程ID ####

*  获取线程ID的方法

> ![在这里插入图片描述][20190801124242991.png]

*  没有线程之前，一个进程对应内核里的一个进程描述符，对应一个进程ID。但是引入线程概念之后，情况发生了变化，一个用户进程下管辖N个用户态线程，每个线程作为一个独立的调度实体在内核态都有自己的进程描述符，**进程和内核的描述符一下子就变成了1：N关系**，POSIX标准又要求进程内的所有线程调用getpid函数时返回相同的进程ID，如何解决上述问题呢？
 *  在Linux内核中，**多线程的进程被称为线程组，线程组内的每一个线程在内核之中都存在一个进程描述符与之对应**。进程描述符结构体中的pid，表面上看对应的是进程ID，其实不然，它对应的是第一个线程即主线程的ID；进程描述的tgid，含义是Thread Group ID,该值对应的是用户层面的进程ID。
 *  所以实际上，你**看到的进程pid对应了test\_struct中的tgid，而我们看到的lwp对应的是task\_struct中的pid。** 那么我们看一下 task\_struct 的结构。

struct task_struct {
    ...
    pid_t pid;
    pid_t tgid;
    ...
    struct task_struct *group_leader;//主线程
    ...
    struct list_head thread_group;//用来描述一个线程组的链表
    ...
    };

当你在用户态下一次调用gitpid你就要知道，其实系统给你返回了test\_struct中的tgid。Linux中也提供了gittid用来返回线程id，但是此系统调用并没有封装起来，不是很方便使用。

#### 线程分离 ####

在默认的情况下，新创建的线程时joinable的，线程退出后，需要对他进行pthread\_join操作，否则无法释放资源，从而造成内存泄漏，如果不关心线程的返回值，join是一种负担，所以我们可以选择将子线程分离，自动释放线程资源，线程可以自己将自己分离，也可以让别人帮助其分离。  
![在这里插入图片描述][20190801190459490.png]  
注意： **一个线程在被分离后就不能够进行等待**

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    using namespace std;
    void* handle(void* arg)
    {
    	pthread_detach(pthread_self());
    	int i=3;
    	while(i--)
    		cout<<"i am new"<<endl;
    	pthread_cancel(pthread_self());
    	return (void*)1;
    }
    
    int main()
    {
    	pthread_t tid;
    	pthread_create(&tid,NULL,handle,(void*)"thread 1");
    	void* status;
    	int ret=pthread_join(tid,&status);
    	cout<<(int*)status<<":"<<ret<<endl;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][20190801191623686.png]

##### 总结： #####

Linux下使用的线程控制函数其实上是一组用户级别的函数，只要我们能熟练的掌握这些函数的使用，对于控制线程就会很简单。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/ly_6699/article/details/97953472
[201907312101453.png]: /images/20211114/76586fd150724f839c4a32407156746c.png
[20190731210705507.png]: /images/20211114/603b1ee9efde4ab0a2cd3466d5920f9b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211114/94dc6dea461b4623b83d117861797f54.png
[20190801114057755.png]: /images/20211114/51ae8245acfa4de6acefbfd73af297ed.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20211114/a10a1855b1eb4af2a43cd438e54e6c55.png
[20190801122801733.png]: /images/20211114/a6d18ed272b6498bb3fc0ff327014e1c.png
[20190801123026440.png]: /images/20211114/95dfe4f2830448c9917b7b004991128d.png
[2019080113414567.png]: /images/20211114/10f83497b49a42808c22c17d0a7d200a.png
[20190801120651424.png]: /images/20211114/d7f9ec540cd94983bc5db6c46f3105bb.png
[2019080119020571.png]: /images/20211114/4f3882df91414309b45b72b5f9a3bc05.png
[20190801124242991.png]: /images/20211114/77fb1cb2631b4b45975f2a57e1d5042a.png
[20190801190459490.png]: /images/20211114/054761760c914c668c497816fb033fd5.png
[20190801191623686.png]: /images/20211114/aea1fdcc382d4dea82de612f0448d6db.png