Linux系统编程-(pthread)线程创建与使用

2021-12-14 04:14:09

1. 前言

前面文章介绍了Linux下进程的创建、管理、使用、通信，了解了多进程并发；这篇文章介绍Linux下线程的基本使用。

线程与进程的区别
（1）进程: 是操作系统调度最小单位。
Linux下可以通过ps、top等命令查看进程的详细信息。
（2）线程: 是进程调度的最小单位，每个进程都有一个主线程。在进程里主要做事情就是线程。

（3）在全系统中，进程ID是唯一标识，对于进程的管理都是通过PID来实现的。每创建一个进程，内核去中就会创建一个结构体来存储该进程的全部信息，每一个存储进程信息的节点也都保存着自己的PID。需要管理该进程时就通过这个ID来实现(比如发送信号)。当子进程结束要回收时(子进程调用exit()退出或代码执行完)，需要通过wait()系统调用来进行，未回收的消亡进程会成为僵尸进程，其进程实体已经不复存在，但会虚占PID资源，因此回收是有必要的。

对于线程而言，若要主动终止需要调用pthread_exit() ，主线程需要调用pthread_join()来回收(前提是该线程没有设置 “分离属性”)。像线发送线程信号也是通过线程ID实现

进程间的通信方式：
A.共享内存 B.消息队列 C.信号量 D.有名管道 E.无名管道 F.信号
G.文件 H.socket
线程间的通信方式:
A.互斥量 B.自旋锁 C.条件变量 D.读写锁 E.线程信号 F.全局变量

进程间采用的通信方式要么需要切换内核上下文，要么要与外设访问(有名管道，文件)。所以速度会比较慢。而线程采用自己特有的通信方式的话，基本都在自己的进程空间内完成，不存在切换，所以通信速度会较快。也就是说，进程间与线程间分别采用的通信方式，除了种类的区别外，还有速度上的区别。

说明: 当运行多线程的进程捕获到信号时，只会阻塞主线程，其他子线程不会影响会继续执行。

2. 线程相关函数介绍

2.1 创建线程

pthread_create是Unix操作系统（Unix、Linux等）的创建线程的函数。
编译时需要指定链接库：-lpthread
函数原型

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

参数介绍

第一个参数为指向线程标识符的指针。
第二个参数用来设置线程属性。默认可填NULL。
第三个参数是线程运行函数的起始地址。
最后一个参数是运行函数的参数。不需要参数可填NULL。
Linux下查看函数帮助：# man pthread_create

返回值：
若线程创建成功，则返回0。若线程创建失败，则返回出错编号。
线程创建成功后， attr参数用于指定各种不同的线程属性。新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个万能指针参数arg，如果需要向线程工作函数传递的参数不止一个，那么需要把这些参数放到一个结构中，然后把这个结构的地址作为arg的参数传入。

示例:

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

//线程函数1
void *pthread_func1(void *arg)
{
    while(1)
    {
        printf("线程函数1正在运行.....\n");
        sleep(2);
    }
}

//线程函数2
void *pthread_func2(void *arg)
{
    while(1)
    {
        printf("线程函数2正在运行.....\n");
        sleep(2);
    }
}

int main(int argc,char **argv)
{
    
    pthread_t thread_id1;
    pthread_t thread_id2;
   /*1. 创建线程1*/
    if(pthread_create(&thread_id1,NULL,pthread_func1,NULL))
    {
        printf("线程1创建失败!\n");
        return -1;
    }
    /*2. 创建线程2*/
    if(pthread_create(&thread_id2,NULL,pthread_func2,NULL))
    {
        printf("线程2创建失败!\n");
        return -1;
    }
    
    /*3. 等待线程结束,释放线程的资源*/
    pthread_join(thread_id1,NULL);
    pthread_join(thread_id2,NULL);
    return 0;
}

//gcc pthread_demo_code.c -lpthread

2.2 退出线程

线程通过调用pthread_exit函数终止执行，就如同进程在结束时调用exit函数一样。这个函数的作用是，终止调用它的线程并返回一个指向某个对象的指针。

这个函数的作用是，终止调用它的线程并返回一个指向某个对象的指针，该返回值可以通过pthread_join函数的第二个参数得到。

函数原型

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

参数解析
线程的需要返回的地址。
注意: 线程结束必须释放线程堆栈，就是说线程函数必须调用pthread_exit()结束，否则直到主进程函数退出才释放

2.3 等待线程结束

pthread_join()函数，以阻塞的方式等待thread指定的线程结束。当函数返回时，被等待线程的资源被收回。如果线程已经结束，那么该函数会立即返回。并且thread指定的线程必须是joinable（结合属性）属性。
函数原型

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

参数
第一个参数: 线程标识符，即线程ID，标识唯一线程。
最后一个参数: 用户定义的指针，用来存储被等待线程返回的地址。
返回值
0代表成功。失败，返回的则是错误号。
接收线程返回值示例：

//退出线程
pthread_exit ("线程已正常退出");
//接收线程的返回值
void *pth_join_ret1;
pthread_join( thread1, &pth_join_ret1);

2.4 线程分离属性

创建一个线程默认的状态是joinable（结合属性），如果一个线程结束运行但没有调用pthread_join，则它的状态类似于进程中的Zombie Process（僵死进程），即还有一部分资源没有被回收（退出状态码），所以创建线程者应该pthread_join来等待线程运行结束，并可得到线程的退出代码，回收其资源（类似于进程的wait,waitpid)。但是调用pthread_join(pthread_id)函数后，如果该线程没有运行结束，调用者会被阻塞，在有些情况下我们并不希望如此。

pthread_detach函数可以将该线程的状态设置为detached(分离状态)，则该线程运行结束后会自动释放所有资源。
函数原型

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

参数
线程标识符
返回值
0表示成功。错误返回错误码。
EINVAL线程并不是一个可接合线程。
ESRCH没有线程ID可以被发现。

2.5 获取当前线程的标识符

pthread_self函数功能是获得线程自身的ID。
函数原型

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

返回值
当前线程的标识符。
pthread_t的类型为unsigned long int，所以在打印的时候要使用%lu方式，否则显示结果出问题。

2.6 自动清理线程资源

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。用于程序异常退出的时候做一些善后的资源清理。
在POSIX线程API中提供了一个pthread_cleanup_push()/pthread_cleanup_pop()函数用于自动释放资源。从pthread_cleanup_push()的调用点到pthread_cleanup_pop()之间的程序段中的终止动作（包括调用 pthread_exit()和异常终止）都将执行pthread_cleanup_push()所指定的清理函数。

注意：pthread_cleanup_push函数与pthread_cleanup_pop函数需要成对调用。
函数原型

void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *),void *arg); //注册清理函数
void pthread_cleanup_pop(int execute); //释放清理函数

参数
void (routine)(void ) ：处理程序的函数入口。
void *arg ：传递给处理函数的形参。
int execute：执行的状态值。 0表示不调用清理函数。1表示调用清理函数。

导致清理函数调用的条件：

调用pthread_exit()函数
pthread_cleanup_pop的形参为1。
注意：return不会导致清理函数调用。

2.7 自动清理线程示例代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

//线程清理函数
void routine_func(void *arg)
{
     printf("线程资源清理成功\n");
}
    
//线程工作函数
void *start_routine(void *dev)
{
     pthread_cleanup_push(routine_func,NULL);

    //终止线程
    // pthread_exit(NULL);
     
   pthread_cleanup_pop(1); //1会导致清理函数被调用。0不会调用。

}

int main(int argc,char *argv[])
{
     pthread_t thread_id;  //存放线程的标识符
    
    /*1. 创建线程*/
    if(pthread_create(&thread_id,NULL,start_routine,NULL)!=0)
    {
       printf("线程创建失败!\n");        
    } 
  /*2.设置线程的分离属性*/
    if(pthread_detach(thread_id)!=0)
    {
         printf("分离属性设置失败!\n");
    }
    while(1){}    
    return 0;    
}

2.8 线程取消函数

pthread_cancel函数为线程取消函数，用来取消同一进程中的其他线程。

头文件: #include <pthread.h>
函数原型：pthread_cancel(pthread_t tid);

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