Linux线程编程（一）

超、凢脫俗 2023-01-12 10:20 137阅读 0赞

# 1 Linux线程基础 #

## 1.1 基本概念 ##

### 1.1.1 进程概念 ###

进程是表示资源分配的基本单位，又是调度运行的基本单位。例如，用户运行自己的程序，系统就创建一个进程，并为它分配资源，包括各种表格、内存空间、磁盘空间、I/O设备等。然后，把该进程放人进程的就绪队列。进程调度程序选中它，为它分配CPU以及其它有关资源，该进程才真正运行。所以，进程是系统中的并发执行的单位。  
在Mac、Windows NT等采用微内核结构的操作系统中，进程的功能发生了变化：它只是资源分配的单位，而不再是调度运行的单位。在微内核系统中，真正调度运行的基本单位是线程。因此，实现并发功能的单位是线程。

### 1.1.2 线程概念 ###

线程是进程中执行运算的最小单位，亦即执行处理机调度的基本单位。如果把进程理解为在逻辑上操作系统所完成的任务，那么线程表示完成该任务的许多可能的子任务之一。例如，假设用户启动了一个窗口中的数据库应用程序，操作系统就将对数据库的调用表示为一个进程。假设用户要从数据库中产生一份工资单报表，并传到一个文件中，这是一个子任务；在产生工资单报表的过程中，用户又可以输人数据库查询请求，这又是一个子任务。这样，操作系统则把每一个请求――工资单报表和新输人的数据查询表示为数据库进程中的独立的线程。线程可以在处理器上独立调度执行，这样，在多处理器环境下就允许几个线程各自在单独处理器上进行。操作系统提供线程就是为了方便而有效地实现这种并发性。

### 1.1.3 进程和线程的关系 ###

*  （1）一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。
 *  （2）资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。 同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量)，数据段(全局变量和静态变量)，扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。
 *  （3）处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。
 *  （4）线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

## 1.2 Linux 线程常用API ##

### 1.2.1 线程ID ###

每个进程有一个进程ID一样，每个线程也有一个线程ID，进程ID在整个系统中是唯一的，但线程不同，线程ID只在它所属的进程环境中有效。线程ID用pthread\_t数据类型来表示，实现的时候可以用一个结构来代表pthread\_t数据类型，所以可以移植的操作系统不能把它作为整数处理。因此必须使用函数来对来对两个线程ID进行比较。

*  1．名称：pthread\_equal  
    功能：比较两个线程ID  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_equal(pthread\_t tid1,pthread\_t tid2);  
    参数：tid1 进程1id, tid2 进程2id  
    返回值：若相等返回非0值，否则返回0
 *  2．名称：pthread\_self  
    功能：获取自身线程的id  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：pthread\_t pthread\_self(void);  
    参数：无  
    返回值：调用线程的线程id

### 1.2.2 线程创建 ###

*  3．名称：pthread\_create  
    功能：创建线程  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_create(pthread\_t \*restrict tidp,const pthread \_attr\_t \*restrict attr,void \*(\*start\_rtn)(void),void \*restrict arg);  
    参数：  
    返回值：若成功返回则返回0，否则返回错误编号  
    当pthread\_creat成功返回时， tidp指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。attr参数用于定制各种不同的线程属性。可以把它设置为NULL，创建默认的线程属性。新创建的线程从start\_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg

### 1.2.3 线程终止 ###

线程是依进程而存在的，当进程终止时，线程也就终止了。当然也有在不终止整个进程的情况下停止它的控制流。  
（1）线程只是从启动例程中返回，返回值是线程的退出码。  
（2）线程可以被同一进程中的其他线程取消。  
（3）线程调用pthread\_exit。

*  4．名称：pthread\_exit  
    功能：终止一个线程  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：void pthread\_exit(void \*rval\_ptr);  
    参数：rval\_prt是一个无类型指针，与传给启动例程的单个参数类似。进程中的其他线程可以调用pthread\_join函数访问到这个指针。  
    返回值：无
 *  5．名称：pthread\_join  
    功能：获得线程的终止状态  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_join(pthread\_t thread,void \*\*rval\_ptr);  
    参数：thread线程ID  
    返回值：若成功返回0，否则返回错误编号。  
    当一个线程通过调用pthread\_exit退出或者简单地从启动历程中返回时，进程中的其他线程可以通过调用pthread\_join函数获得进程的退出状态。调用pthread\_join进程将一直阻塞，直到指定的线程调用pthread\_exit,从启动例程中或者被取消。  
    如果线程只是从它的启动历程返回，rval\_ptr将包含返回码。

### 1.2.4 线程管理 ###

*  6．名称：pthread\_detach  
    功能：使线程进入分离状态。  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_detach(pthread\_t tid);  
    参数：  
    返回值：若成功则返回0，否则返回错误编号。  
    在默认情况下，线程的终止状态会保存到对该线程调用pthread\_join,如果线程已经处于分离状态，线程的底层存储资源可以在线程终止时立即被收回。当线程被分离时，并不能用pthread\_join函数等待它的终止状态。对分离状态的线程进行pthread\_join的调用会产生失败，返回EINVAL.pthread\_detach调用可以用于使线程进入分离状态。
 *  7．名称：pthread\_cancel  
    功能：取消同一进程中的其他线程  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_cancel(pthread\_t tid);  
    参数：tid 线程id  
    返回值：若成功返回0，否则返回错误编号。  
    在默认的情况下，pthread\_cancel函数会使由tid标识的线程的行为表现为如同调用了参数为PTHEAD\_CANCELED的pthread\_exit函数，但是，线程可以选择忽略取消方式和控制取消方式。pthread\_cancel并不等待线程终止，它仅仅提出请求。
 *  8．名称：pthread\_cancel\_push/ pthread\_cancel\_push\_pop  
    功能：线程清理处理程序  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：void pthread\_cancel\_push(void (\*rtn)(void \*)，void \*arg);  
    void pthread\_cancel\_pop(int execute);  
    参数：rtn 处理程序入口地址, arg 传递给处理函数的参数  
    返回值：无  
    线程可以安排它退出时需要调用的函数，这样的函数称为线程清理处理程序，线程可以建立多个清理处理程序。处理程序记录在栈中，也就是说它们的执行顺序与它们注册时的顺序相反。  
    要注意如果线程是通过从他的启动例程中返回而终止的，它的处理程序就不会调用。还要注意清理处理程序是按照与它们安装时相反的顺序调用的。

## 1.3 线程属性配置 ##

线程属性结构如下：  
typedef struct  
\{  
int detachstate; 线程的分离状态  
int schedpolicy; 线程调度策略  
struct sched\_param schedparam; 线程的调度参数  
int inheritsched; 线程的继承性  
int scope; 线程的作用域  
size\_t guardsize; 线程栈末尾的警戒缓冲区大小  
int stackaddr\_set;  
void \* stackaddr; 线程栈的位置  
size\_t stacksize; 线程栈的大小  
\}pthread\_attr\_t;

1.3.1 线程属性初始化  
线程具有属性，用pthread\_attr\_t表示，在对该结构进行处理之前必须进行初始化，在使用后需要对其去除初始化。我们用pthread\_attr\_init函数对其初始化，用pthread\_attr\_destroy对其去除初始化。

*  1．名称：pthread\_attr\_init/pthread\_attr\_destroy  
    功能：对线程属性初始化/去除初始化  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_attr\_init(pthread\_attr\_t \*attr);  
    int pthread\_attr\_destroy(pthread\_attr\_t \*attr);  
    参数：Attr 线程属性变量  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    调用pthread\_attr\_init之后，pthread\_t结构所包含的内容就是操作系统实现支持的线程所有属性的默认值。  
    如果要去除对pthread\_attr\_t结构的初始化，可以调用pthread\_attr\_destroy函数。如果pthread\_attr\_init实现时为属性对象分配了动态内存空间，pthread\_attr\_destroy还会用无效的值初始化属性对象，因此如果经pthread\_attr\_destroy去除初始化之后的pthread\_attr\_t结构被pthread\_create函数调用，将会导致其返回错误。

### 1.3.2线程分离状态 ###

线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。在默认情况下线程是非分离状态的，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread\_join（）函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。  
而分离线程不是这样子的，它没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。程序员应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。所以如果我们在创建线程时就知道不需要了解线程的终止状态，则可以pthread\_attr\_t结构中的detachstate线程属性，让线程以分离状态启动。

*  2．名称：pthread\_attr\_getdetachstate/pthread\_attr\_setdetachstate  
    功能：获取/修改线程的分离状态属性  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：  
    int pthread\_attr\_getdetachstate(const pthread\_attr\_t \* attr,int \*detachstate);  
    int pthread\_attr\_setdetachstate(pthread\_attr\_t \*attr,int detachstate);  
    参数：Attr 线程属性变量, Detachstate 线程的分离状态属性  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    可以使用pthread\_attr\_setdetachstate函数把线程属性detachstate设置为下面的两个合法值之一：设置为PTHREAD\_CREATE\_DETACHED，以分离状态启动线程；或者设置为PTHREAD\_CREATE\_JOINABLE，正常启动线程。可以使用pthread\_attr\_getdetachstate函数获取当前的datachstate线程属性。

### 1.3.3线程的继承性 ###

*  3.名称：pthread\_attr\_getinheritsched /pthread\_attr\_setinheritsched  
    功能：获得/设置线程的继承性  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_attr\_getinheritsched(const pthread\_attr\_t \*attr,int \*inheritsched);  
    int pthread\_attr\_setinheritsched(pthread\_attr\_t \*attr,int inheritsched);  
    参数：attr 线程属性变量, inheritsched 线程的继承性  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    这两个函数具有两个参数，第1个是指向属性对象的指针，第2个是继承性或指向继承性的指针。继承性决定调度的参数是从创建的进程中继承还是使用在schedpolicy和schedparam属性中显式设置的调度信息。Pthreads不为inheritsched指定默认值，因此如果你关心线程的调度策略和参数，必须先设置该属性。  
    继承性的可能值是PTHREAD\_INHERIT\_SCHED（表示新现成将继承创建线程的调度策略和参数）和PTHREAD\_EXPLICIT\_SCHED（表示使用在schedpolicy和schedparam属性中显式设置的调度策略和参数）。如果你需要显式的设置一个线程的调度策略或参数，那么你必须在设置之前将inheritsched属性设置为PTHREAD\_EXPLICIT\_SCHED。

### 1.3.4线程的调度策略 ###

*  4.名称：pthread\_attr\_getschedpolicy \\pthread\_attr\_setschedpolicy  
    功能：获得/设置线程的调度策略  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int pthread\_attr\_getschedpolicy(const pthread\_attr\_t \*attr,int \*policy);  
    int pthread\_attr\_setschedpolicy(pthread\_attr\_t \*attr,int policy);  
    参数：attr 线程属性变量, policy 调度策略  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    这两个函数具有两个参数，第1个参数是指向属性对象的指针，第2个参数是调度策略或指向调度策略的指针。调度策略可能的值是先进先出（SCHED\_FIFO）、轮转法（SCHED\_RR）,或其它（SCHED\_OTHER）。  
    (1) SCHED\_FIFO策略允许一个线程运行直到有更高优先级的线程准备好，或者直到它自愿阻塞自己。在SCHED\_FIFO调度策略下，当有一个线程准备好时，除非有平等或更高优先级的线程已经在运行，否则它会很快开始执行。  
    (2) SCHED\_RR(轮循)策略是基本相同的，不同之处在于：如果有一个SCHED\_RR策略的线程执行了超过一个固定的时期(时间片间隔)没有阻塞，而另外的SCHED\_RR或SCHBD\_FIPO策略的相同优先级的线程准备好时，运行的线程将被抢占以便准备好的线程可以执行。  
    当有SCHED\_FIFO或SCHED\_RR策赂的线程在一个条件变量上等持或等持加锁同一个互斥量时，它们将以优先级顺序被唤醒。即，如果一个低优先级的 SCHED\_FIFO线程和一个高优先织的SCHED\_FIFO线程都在等待锁相同的互斥且，则当互斥量被解锁时，高优先级线程将总是被首先解除阻塞。

### 1.3.5线程的调度优先级 ###

*  5.名称：pthread\_attr\_getschedparam \\pthread\_attr\_setschedparam  
    功能：获得/设置线程的调度参数  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：  
    int pthread\_attr\_getschedparam(const pthread\_attr\_t \*attr,struct sched\_param \*param);  
    int pthread\_attr\_setschedparam(pthread\_attr\_t \*attr,const struct sched\_param \*param);  
    参数：attr 线程属性变量, param sched\_param结构  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    这两个函数具有两个参数，第1个参数是指向属性对象的指针，第2个参数是sched\_param结构或指向该结构的指针。结构sched\_param在文件/usr/include /bits/sched.h中定义如下：  
    struct sched\_param  
    \{  
    int sched\_priority;  
    \};  
    结构sched\_param的子成员sched\_priority控制一个优先权值，大的优先权值对应高的优先权。系统支持的最大和最小优先权值可以用sched\_get\_priority\_max函数和sched\_get\_priority\_min函数分别得到。  
    注意：如果不是编写实时程序，不建议修改线程的优先级。因为，调度策略是一件非常复杂的事情，如果不正确使用会导致程序错误，从而导致死锁等问题。如：在多线程应用程序中为线程设置不同的优先级别，有可能因为共享资源而导致优先级倒置。
 *  6.名称：sched\_get\_priority\_max \\sched\_get\_priority\_min  
    功能：获得系统支持的线程优先权的最大和最小值  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：int sched\_get\_priority\_max(int policy); int sched\_get\_priority\_min(int policy);  
    参数：policy 系统支持的线程优先权的最大和最小值  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。

### 1.3.6线程的作用域 ###

*  7．名称：pthread\_attr\_setscope\\pthread\_attr\_getscope  
    功能：获得/设置线程的作用域  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：  
    int pthread\_attr\_setscope(pthread\_attr\_t \*attr,int scope);  
    int pthread\_attr\_getscope(const pthread\_attr\_t \*attr,int \*scope);  
    参数：attr 线程属性变量, scope 线程的作用域  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    这两个函数具有两个参数，第1个是指向属性对象的指针，第2个是作用域或指向作用域的指针，作用域控制线程是否在进程内或在系统级上竞争资源，可能的值是PTHREAD\_SCOPE\_PROCESS（进程内竞争资源）,PTHREAD\_SCOPE\_SYSTEM.（系统级上竞争资源）。

### 1.3.7线程的亲和性 ###

*  8.名称：pthread\_setaffinity\_np/pthread\_getaffinity\_np  
    功能：设置/获取线程的亲和性  
    头文件：\#include <sched.h>  
    函数原型：  
    int pthread\_setaffinity\_np(pthread\_t thread, size\_t cpusetsize, const cpu\_set\_t \*cpuset);  
    int pthread\_getaffinity\_np(pthread\_t thread, size\_t cpusetsize, cpu\_set\_t \*cpuset);  
    参数：thread线程id，cpusetsize cpuset变量大小，cpuset线程所需运行的cpu  
    cpuset宏函数操作：  
    \#define CPU\_SET(cpu, cpusetp) //设置cpu  
    \#define CPU\_CLR(cpu, cpusetp) //删除cpu  
    \#define CPU\_ISSET(cpu, cpusetp) //判断cpu  
    \#define CPU\_ZERO(cpusetp) //初始化为  
    示例：  
    int cpu\_id = get\_nprocs() - 1; //最大的cpu id，0表示core0,1表示core1 …  
    cpu\_set\_t mask;  
    CPU\_ZERO(&mask);  
    CPU\_SET(cpu\_id, &mask);  
    pthread\_setaffinity\_np(pthread\_self(), sizeof(mask), &mask) ;

### 1.3.8线程堆栈大小 ###

*  9．名称：pthread\_attr\_getdetstacksize\\pthread\_attr\_setstacksize  
    功能：获得/修改线程栈的大小  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：  
    int pthread\_attr\_getstacksize(const pthread\_attr\_t \*restrict attr,size\_t \*restrict stacksize);  
    int pthread\_attr\_setstacksize(pthread\_attr\_t \*attr ,size\_t \*stacksize);  
    参数：attr 线程属性变量,stacksize 堆栈大小  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    这两个参数具有两个参数，第1个是指向属性对象的指针，第2个是堆栈大小或指向堆栈大小的指针。如果希望改变栈的默认大小，但又不想自己处理线程栈的分配问题，这时使用pthread\_attr\_setstacksize函数就非常有用。

### 1.3.9线程堆栈地址 ###

*  10.名称：pthread\_attr\_setstackaddr\\pthread\_attr\_getstackaddr  
    功能：获得/修改线程栈的位置  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：  
    int pthread\_attr\_getstackaddr(const pthread\_attr\_t \*attr,void \*\*stackaddf);  
    int pthread\_attr\_setstackaddr(pthread\_attr\_t \*attr,void \*stackaddr);  
    参数：attr 线程属性变量,stackaddr 堆栈地址  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    这两个函数具有两个参数，第1个是指向属性对象的指针，第2个是堆栈地址或指向堆栈地址的指针。

### 1.3.10线程栈末尾的警戒缓冲区大小 ###

*  11.名称：pthread\_attr\_getguardsize/pthread\_attr\_setguardsize  
    功能：获得/修改线程栈末尾的警戒缓冲区大小  
    头文件：\#include <pthread.h>  
    函数原形：  
    int pthread\_attr\_getguardsize(const pthread\_attr\_t \*restrict attr,size\_t \*restrict guardsize);  
    int pthread\_attr\_setguardsize(pthread\_attr\_t \*attr ,size\_t \*guardsize);  
    参数：  
    返回值：若成功返回0，若失败返回-1。  
    线程属性guardsize控制着线程栈末尾之后以避免栈溢出的扩展内存大小。这个属性默认设置为PAGESIZE个字节。可以把guardsize线程属性设为0，从而不允许属性的这种特征行为发生：在这种情况下不会提供警戒缓存区。同样地，如果对线程属性stackaddr作了修改，系统就会假设我们会自己管理栈，并使警戒栈缓冲区机制无效，等同于把guardsize线程属性设为0。