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线程概念 什么是线程 LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程(在Linux环境下) 进程：独立地址空间，拥有PCB 线程：也有PCB，但没有独立的地址空间(共享) 区别：在于是否共享地址空间。 独居(进程)；合租(线程)。 Linux下： 线程：最小的执行单位 进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程。 Linux内核线程实现原理 类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。 1. 轻量级进程(light-weight process)，也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone 2. 从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的 3. 进程可以蜕变成线程 4. 线程可看做寄存器和栈的集合 5. 在linux下，线程最是小的执行单位；进程是最小的分配资源单位 察看LWP号：ps –Lf pid 查看指定线程的lwp号。 三级映射：进程PCB --> 页目录(可看成数组，首地址位于PCB中) --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元 参考：《Linux内核源代码情景分析》 ----毛德操 对于进程来说，相同的地址(同一个虚拟地址)在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但，页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。 但！线程不同！两个线程具有各自独立的PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个PCB共享一个地址空间。 实际上，无论是创建进程的fork，还是创建线程的pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数clone。 如果复制对方的地址空间，那么就产出一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。 因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只在用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数 pthread_* 是库函数，而非系统调用。 线程共享资源 1.文件描述符表 2.每种信号的处理方式 3.当前工作目录 4.用户ID和组ID 5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库) 线程非共享资源 1.线程id 2.处理器现场和栈指针(内核栈) 3.独立的栈空间(用户空间栈) 4.errno变量 5.信号屏蔽字 6.调度优先级 线程优、缺点 优点： 1. 提高程序并发性 2. 开销小 3. 数据通信、共享数据方便 缺点： 1. 库函数，不稳定 2. 调试、编写困难、gdb不支持 3. 对信号支持不好 优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。 线程控制原语 pthread_self函数 获取线程ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。 pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失败：无！ 线程ID：pthread_t类型，本质：在Linux下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现 线程ID是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程ID允许相同) 注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。 pthread_create函数 创建一个新线程。 其作用，对应进程中fork() 函数。 int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg); 返回值：成功：0； 失败：错误号 -----Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。 参数： pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t; 参数1：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID 参数2：通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。 参数3：函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。 参数4：线程主函数执行期间所使用的参数。 在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行的代码由我们传给pthread_create的函数指针start_routine决定。start_routine函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine的返回值类型也是void *，这个指针的含义同样由调用者自己定义。start_routine返回时，这个线程就退出了，其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。 pthread_create成功返回后，新创建的线程的id被填写到thread参数所指向的内存单元。我们知道进程id的类型是pid_t，每个进程的id在整个系统中是唯一的，调用getpid(2)可以获得当前进程的id，是一个正整数值。线程id的类型是thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self(3)可以获得当前线程的id。 attr参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考APUE。 【练习】：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库 -lpthread 【pthrd_crt.c】 由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的办法。 【练习】：循环创建多个线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程。(类似于进程循环创建子进程) 【more_pthrd.c】 拓展思考：将pthread_create函数参4修改为(void *)&i, 将线程主函数内改为 i=*((int *)arg) 是否可以？ 线程与共享 线程间共享全局变量！ 【牢记】：线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助mmap。 【练习】：设计程序，验证线程之间共享全局数据。 【glb_var_pthrd.c】 pthread_exit函数 将单个线程退出 void pthread_exit(void *retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL 思考：使用exit将指定线程退出，可以吗？ 【pthrd_exit.c】 结论：线程中，禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出。 在不添加sleep控制输出顺序的情况下。pthread_create在循环中，几乎瞬间创建5个线程，但只有第1个线程有机会输出（或者第2个也有，也可能没有，取决于内核调度）如果第3个线程执行了exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。 所以，多线程环境中，应尽量少用，或者不使用exit函数，取而代之使用pthread_exit函数，将单个线程退出。任何线程里exit导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能return或exit。 另注意，pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。 【练习】：编写多线程程序，总结exit、return、pthread_exit各自退出效果。 return：返回到调用者那里去。 pthread_exit()：将调用该函数的线程 exit: 将进程退出。 pthread_join函数 阻塞等待线程退出，获取线程退出状态 其作用，对应进程中 waitpid() 函数。 int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失败：错误号 参数：thread：线程ID （【注意】：不是指针）；retval：存储线程结束状态。 对比记忆： 进程中：main返回值、exit参数-->int；等待子进程结束 wait 函数参数-->int * 线程中：线程主函数返回值、pthread_exit-->void *；等待线程结束 pthread_join 函数参数-->void ** 【练习】：参数 retval 非空用法。 【pthrd_exit_join.c】 调用该函数的线程将挂起等待，直到id为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的，总结如下： 1. 如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。 2. 如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。 3. 如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。 4. 如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。 【练习】：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。 【pthrd_loop_join.c】 pthread_detach函数 实现线程分离 int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号 线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。网络、多线程服务器常用。 进程若有该机制，将不会产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要由于进程死后，大部分资源被释放，一点残留资源仍存于系统中，导致内核认为该进程仍存在。 也可使用 pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离。 【练习】：使用pthread_detach函数实现线程分离 【pthrd_detach.c】 一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join获取它的状态为止。但是线程也可以被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的所有资源，而不保留终止状态。不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join，这样的调用将返回EINVAL错误。也就是说，如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_jo