【Linux】多线程——线程概念|进程VS线程|线程控制（下）-阿里云开发者社区

【Linux】多线程——线程概念|进程VS线程|线程控制（上） https://developer.aliyun.com/article/1565756

🌙 进程VS线程

💫 进程和线程

进程是资源分配的基本单位
线程是调度的基本单位

线程ID

一组寄存器

栈

errno

信号屏蔽字

调度优先级

为什么线程切换的成本更低

地址空间和页表不需要切换。

CPU内部是有L1~L3 cache，如果进程切换，cache就立即失效，新进程过来，只能重新缓存。

💫 进程和线程的资源共享

进程的多个线程共享同一地址空间，因此Text Segment、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。

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。

用户id和组id。

补充说明：

__thread int g_val = 100; // 修饰全局变量，让每一个线程各自拥有一个全局的变量  --  线程的局部存储

💫 进程和线程的关系

💫 关于进程线程的问题

如何看待之前学习的单进程？

具有一个线程执行流的进程。

引入线程后，如何重新理解之前的进程？

红色方框框起来的内容，将这个整体称作进程
曾经理解的进程 = 内核数据结构 + 进程对应的代码和数据
现在的进程，从内核角度看：承担分配系统资源的基本实体

一个进程内部一定存在多个执行流，那么这些执行流在CPU角度有区别吗？

没有任何区别，CPU不关心当前是进程还是线程这样的概念，只关心PCB，CPU调度的时候照样以task_struct为单位来进行调度。

只是这里task_struct背后的代码和页表只是曾经的代码和页表的一小部分而已。
所以CPU执行的只是一小块代码和数据，但并不妨碍CPU执行其它执行流。
所以就可以把原本串行的所有代码转变成并发或并行的，让这些代码在同一时间点得以推进。

总结如下：

以前CPU看到的所有的task_struct都是一个进程，现在CPU看到的所有的task_struct都是一个执行流(线程)

🌙线程控制

💫 POSIX线程库

使用：

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_”开头的
要使用这些函数库，要通过引入头文
链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项

pthread线程库是应用层的原生线程库：

我们说过，在Linux没有真正意义上的线程，无法直接提供创建线程的系统接口，只能给我们提供创建轻量级进程的接口。但是在用户的角度上，当我们想创建一个线程时会使用thread_create这样的接口，而不是我们上面所使用vfork函数，用户不能直接访问OS，所以OS在用户和系统调用之间提供了编写好的用户级线程库，这个库一般称为pthread库。任何Linux操作系统都必须默认携带这个库，这个库称为原生线程库。
原生的线程库本质上就是对轻量级进程的系统调用（clone）进行了封装pthread_create，使用户层模拟实现了一套线程相关的接口。
我们认为的线程实际在OS内部会被转化成我们所谓的轻量级进程。

错误检查:

传统的一些函数是，成功返回0，失败返回-1，并且对全局变量errno赋值以指示错误。
pthreads函数出错时不会设置全局变量errno（而大部分其他POSIX函数会这样做）。而是将错误代码通过返回值返回。
pthreads同样也提供了线程内的errno变量，以支持其它使用errno的代码。对于pthreads函数的错误，建议通过返回值判定，因为读取返回值要比读取线程内的errno变量的开销更小。

💫 创建线程——pthread_create

pthread_create讲解：

pthread_create:创建线程的函数

#include <pthread.h>
 
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);

thread:获取线程的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nullptr表示默认，这个属性基本不管
start_routine:函数地址，表示线程启动后要执行的函数
arg:传给线程例程的参数
返回值：成功返回0，失败返回错误码

举个栗子：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
void * thread_routine(void *args)
{
    const char*name = (const char*)args;
    while(true)
    {
        cout<<"这是新线程，我正在运行!"<<name<<endl;
        sleep(1);
    }
}
 
int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,thread_routine,(void*)"thread one");
    assert(0==n);
    (void)n;
 
    while(true)
    {
        cout<<"这是主线程，我真正运行！"<<endl;
        sleep(1);
    }
 
    return 0;
}

这里编译运行需要注意：这个接口是库给我们提供的，使用的接口如果不是语言上的接口或者操作系统上的接口，如果是库提供的，那在编译时是不通过的，我们需要找到这个库。-L：找到库在哪里，-I：找到头文件在哪里，但是这个库已经在系统里安装好了，除了告诉库和头文件在哪之外，还需要知道链接哪一个库！

此时我们用ps axj命令查看当前进程的信息时，虽然此时该进程中有两个线程，但是我们看到的进程只有一个，因为这两个线程都是属于同一个进程的：

而使用ps -aL指令，就可以显示当前的轻量级进程了：

其中，LWP（Light Weight Process）表示的就是轻量级进程的ID，可以看到显示的两个轻量级进程的PID是相同的，因为它们是属于同一个进程的。每个轻量级进程都有唯一的LWP。

注意：主线程的PID和LWP是一样的。不一样的就是新线程。所以CPU调度的时候，是以LWP为标识符表示特定一个执行流。
线程一旦被创建，几乎所有的资源都是被所有线程共享的。所以线程之间想交互数据就容易了，直接就能看到。

线程也一定要有自己私有的资源：

线程被调度就要有独立的PCB属性私有。
线程切换时正在运行，需要进行上下文保存，要有私有的上下文结构。
每个进程都要独立的运行，每个线程都要有自己独立的栈结构。

主线程创建一批新线程：

我们让主线程一次性创建十个新线程，并让创建的每一个新线程都去执行start_routine函数，也就是说start_routine函数会被重复进入，即该函数是会被重入的：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
class ThreadData
{
public:
    pthread_t tid;
    char namebuffer[64];
    
};
 
//创建一批新线程
void* start_routine(void* args)
{
    sleep(1);
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"new thread create success,name: "<<td->namebuffer<<" cnt : "<<cnt--<<endl;
        sleep(1);
    }
    delete td;
    return nullptr;
}
int main()
{
    vector<ThreadData*> threads;
#define NUM 10
    for(int i = 0;i<NUM;i++)
    {
        ThreadData *td = new ThreadData();
        snprintf(td->namebuffer,sizeof(td->namebuffer),"%s:%d","thread",i+1);
        pthread_create(&td->tid,nullptr,start_routine,td);
        threads.push_back(td);
       // sleep(1);
    }
 
    for(auto&iter:threads)
    {
        cout<<"create thread: "<<iter->namebuffer<<" : "<<iter->tid<<" sucess" <<endl;
    }
    while(true)
    {
        cout<<"new thread create success,name: main thread"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

并且start_routine是可重入函数，没有产生二义性，没有因为一个线程去影响另一个线程。并且在函数内定义的变量都是局部变量具有临时性，在多线程情况下也没有问题。这也说明了每一个线程都有自己独立的栈结构

获取线程ID——pthread_self：

获取线程ID：1.创建线程时通过输出型参数获得；2.通过pthread_self接口函数获得

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);

我们可以打印出主线程打印出新线程的ID，新线程打印自己的ID，看是否相同：结果是相同的

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
string changeId(const pthread_t &thread_id)
{
    char tid[128];
    snprintf(tid,sizeof(tid),"0x%x",thread_id);
    return tid;
}
void* start_routine(void*args)
{
    std::string threadname = static_cast<const char*>(args);
    while(true)
    {
        cout<<threadname<<" running ... "<<changeId(pthread_self())<<endl;
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid,nullptr,start_routine,(void*)"thread 1");
    
    cout<<"main thread running ... new thread id: "<<changeId(tid)<<endl;
    pthread_join(tid,nullptr);
    return 0;
}

💫 线程等待——pthread_join

概念：

一个线程创建出来，那就要如同进程一样，也是需要被等待的。如果线程不等待，对应的PCB没被释放，也会造成类似僵尸进程的问题：内存泄漏。所以线程也要被等待：

获取新线程的退出信息
回收新线程对应的PCB等内核资源，防止内存泄漏。

可以不关心线程的退出信息。

pthread_join:等待线程的函数

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

参数：thread:被等待线程的ID，retval:线程退出时的退出码信息
void** retval:输出型参数，主要用来获取线程函数结束时返回的退出结果。之所以是void**,是因为如果想作为输出型结果返回，因为线程函数的返回结果是void*,而要把结果带出去就必须是void**,
返回值：线程等待成功返回0，失败返回错误码

举个栗子：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
class ThreadData
{
public:
    int number;
    pthread_t tid;
    char namebuffer[64];
    
};
class ThreadReturn
{
public:
    int exit_code;
    int exit_result;
};
//创建一批新线程
void* start_routine(void* args)
{
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"cnt:"<<cnt<<"&cnt:"<<&cnt<<endl;
        cnt--;
        sleep(1);
    }
   ThreadReturn* tr = new ThreadReturn();
   tr->exit_code = 1;//线程退出码
   tr->exit_result = 100;//线程退出结果
   return (void*)tr;
   //return (void*)td->number;//waring void*ret = (void*)td->number;8字节、4字节
}
int main()
{
    vector<ThreadData*> threads;
#define NUM 10
    for(int i = 0;i<NUM;i++)
    {
        ThreadData *td = new ThreadData();
        td->number = i+1;
        snprintf(td->namebuffer,sizeof(td->namebuffer),"%s:%d","thread",i+1);
        pthread_create(&td->tid,nullptr,start_routine,td);
        threads.push_back(td);
    }
    for(auto&iter:threads)
    {
        cout<<"create thread: "<<iter->namebuffer<<" : "<<iter->tid<<" sucess" <<endl;
    }
    for(auto&iter:threads)
    {
        ThreadReturn*ret = nullptr;
        int n = pthread_join(iter->tid,(void**)&ret);
        assert(n==0);
        cout<<"join : "<<iter->namebuffer<<" success,exit_code: "<<ret->exit_code<<",exit_result: "<<ret->exit_result<<endl;
        delete iter;
    }
    cout<<"main thread quit"<<endl;
    return 0;
}

总结：

没有看到线程退出时对应的退出信号：这是因为线程出异常收到信号，整个进程都会退出，所以退出信号要由进程来关心，所以pthread_join默认会认为函数会调用成功，不考虑异常问题，异常问题是进程该考虑的问题。

💫 线程终止——return、pthread_exit、pthread_cancel

一个新创建出来的线程，如果想终止线程而不是整个进程，有三种做法:

直接从线程函数结束，return的时候，线程就算终止了。
线程可以自己调用pthread_exit函数终止自己。
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。

return终止线程：

注意:exit不能用来终止线程，因为exit是来终止进程的。任何一个执行流调用exit都会让整个进程退出，所以终止线程不能采用exit，而是采用return来终止线程。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
class ThreadData
{
public:
    pthread_t tid;
    char namebuffer[64];
    
};
//创建一批新线程
void* start_routine(void* args)
{
    sleep(1);
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"cnt:"<<cnt<<"&cnt:"<<&cnt<<endl;
        cnt--;
        sleep(1);
        return nullptr;
    }
    delete td;
}
 
int main()
{
    vector<ThreadData*> threads;
#define NUM 10
    for(int i = 0;i<NUM;i++)
    {
        ThreadData *td = new ThreadData();
        snprintf(td->namebuffer,sizeof(td->namebuffer),"%s:%d","thread",i+1);
        pthread_create(&td->tid,nullptr,start_routine,td);
        threads.push_back(td);
    }
    for(auto&iter:threads)
    {
        cout<<"create thread: "<<iter->namebuffer<<" : "<<iter->tid<<" sucess" <<endl;
    }
    while(true)
    {
        cout<<"new thread create success,name: main thread"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
class ThreadData
{
public:
    pthread_t tid;
    char namebuffer[64];
    
};
//创建一批新线程
void* start_routine(void* args)
{
    sleep(1);
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"cnt:"<<cnt<<"&cnt:"<<&cnt<<endl;
        cnt--;
        sleep(1);
        return nullptr;
    }
    delete td;
}
 
int main()
{
    vector<ThreadData*> threads;
#define NUM 10
    for(int i = 0;i<NUM;i++)
    {
        ThreadData *td = new ThreadData();
        snprintf(td->namebuffer,sizeof(td->namebuffer),"%s:%d","thread",i+1);
        pthread_create(&td->tid,nullptr,start_routine,td);
        threads.push_back(td);
    }
    for(auto&iter:threads)
    {
        cout<<"create thread: "<<iter->namebuffer<<" : "<<iter->tid<<" sucess" <<endl;
    }
    while(true)
    {
        cout<<"new thread create success,name: main thread"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

最终新建线程终止。

pthread_exit函数：

pthread_exit函数的功能就是终止线程：

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

retval:线程退出时的退出码信息，默认设置为nullptr

举个栗子：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
class ThreadData
{
public:
    pthread_t tid;
    char namebuffer[64];
    
};
//创建一批新线程
void* start_routine(void* args)
{
    sleep(1);
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"cnt:"<<cnt<<"&cnt:"<<&cnt<<endl;
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    delete td;
    pthread_exit(nullptr);
}
int main()
{
    vector<ThreadData*> threads;
#define NUM 10
    for(int i = 0;i<NUM;i++)
    {
        ThreadData *td = new ThreadData();
        snprintf(td->namebuffer,sizeof(td->namebuffer),"%s:%d","thread",i+1);
        pthread_create(&td->tid,nullptr,start_routine,td);
        threads.push_back(td);
    }
    for(auto&iter:threads)
    {
        cout<<"create thread: "<<iter->namebuffer<<" : "<<iter->tid<<" sucess" <<endl;
    }
    while(true)
    {
        cout<<"new thread create success,name: main thread"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

pthread_cancel：

线程是可以被其他线程取消的，但是线程要被取消，前提是这个线程是已经运行起来了。pthread_create取消也是线程终止的一种

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);

我们以取消一半的线程为例：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
class ThreadData
{
public:
    int number;
    pthread_t tid;
    char namebuffer[64];  
};
//创建一批新线程
void* start_routine(void* args)
{
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"cnt:"<<cnt<<"&cnt:"<<&cnt<<endl;
        cnt--;
        sleep(1);
    }
  return (void*)100;
}
int main()
{
    vector<ThreadData*> threads;
#define NUM 10
    for(int i = 0;i<NUM;i++)
    {
        ThreadData *td = new ThreadData();
        td->number = i+1;
        snprintf(td->namebuffer,sizeof(td->namebuffer),"%s:%d","thread",i+1);
        pthread_create(&td->tid,nullptr,start_routine,td);
        threads.push_back(td);
    }
    for(auto&iter:threads)
    {
        cout<<"create thread: "<<iter->namebuffer<<" : "<<iter->tid<<" sucess" <<endl;
    }
    sleep(5);
    //取消一半的线程
    for(int i = 0;i<threads.size()/2;i++)
    {
        pthread_cancel(threads[i]->tid);
        cout<<"ptheread_cancel : "<<threads[i]->namebuffer<<" success"<<endl;
    }
 
    for(auto&iter:threads)
    {
        void*ret = nullptr;
        int n = pthread_join(iter->tid,(void**)&ret);
        assert(n==0);
        cout<<"join : "<<iter->namebuffer<<" success,exit_code: "<<(long long)ret<<endl;
        delete iter;
    }
    cout<<"main thread quit"<<endl;
    return 0;
}

线程如果是被取消的，退出码是-1，-1是一个宏，PTHREAD_CANCELED，我们可以查看定义：

#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

初步重新认识我们的线程库（语言版）

任何语言，在Linux中，如果要实现多线程，必定要使用pthread库，如何看待C++11中的多线程：C++11的多线程，在Linux环境中本质就是对pthread库的封装。

💫 分离线程——pthread_detach

概念：

线程是可以等待的，等待的时候，是join的等待的，阻塞式等待。而如果线程我们不想等待：不要等待，该去进行分离线程处理。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，从而造成内存泄漏而如果我们不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候我们可以告诉OS，当线程退出时，自动释放线程资源，这种策略就是线程分离。

phread_detach使用：

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);

下面我们创建新线程，让主线程与新线程运行起来，主线程等待新线程退出，等待完毕返回n，而现在让创建的新线程进行分离，按照我们的预料：此时应该是等待失败：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <vector>
using namespace std;
 
string changeId(const pthread_t & thread_id)
{
    char tid[128];
    snprintf(tid,sizeof(tid),"0x%x",thread_id);
    return tid;
}
void*start_routine(void*args)
{
    string threadname = static_cast<const char*>(args);
    pthread_detach(pthread_self());//线程分离，设置为分离状态
    int cnt = 5;
    while(cnt--)
    {
        cout<<threadname<<" running ... "<<changeId(pthread_self())<<endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}
int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid,nullptr,start_routine,(void*)"thread 1");
    string main_id = changeId(pthread_self());
    cout<<"main thread running... new thread id:"<<changeId(tid)<<"main thread id: "<<main_id<<endl;
    //一个线程默认是joinable的，设置了分离状态，不能够进行等待了
    int n = pthread_join(tid,nullptr);
    cout<<"result:"<<n<<": "<<strerror(n)<<endl;
    return 0;
}

🌟结束语

今天内容就到这里啦，时间过得很快，大家沉下心来好好学习，会有一定的收获的，大家多多坚持，嘻嘻，成功路上注定孤独，因为坚持的人不多。那请大家举起自己的小手给博主一键三连，有你们的支持是我最大的动力💞💞💞，回见。

【Linux】多线程——线程概念|进程VS线程|线程控制（下）

🌙 进程VS线程

💫 进程和线程

💫 进程和线程的资源共享

💫 进程和线程的关系

💫 关于进程线程的问题

🌙线程控制

💫 POSIX线程库

💫 创建线程——pthread_create

💫 线程等待——pthread_join

💫 分离线程——pthread_detach

🌟结束语

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