线程基本API使用指北

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总结一下线程的基本概念以及线程的创建、销毁、等待、分离

线程程序设计的引入进一步提高了程序的执行性能
本文通过对进程与线程及POSIX部分接口的相互关系的介绍，浅析操作系统中线程的概念。

线程是一个进程内部的执行序列，可以先从概念与进程简单对比

  • 进程是资源执行的最小单位
  • 线程是执行流的最小单位

线程的数据结构

  • 类似进程的PCB结构，线程的维护通过TCB结构。但是实际上linux基于PCB模拟TCB
  • 线程基于进程的mm_struct，拥有独立上下文私有栈空间，但仍共享代码段、数据段，共享堆空间，还包括
    • 文件描述符表
    • 信号的处理方式
    • 当前工作目录
    • 用户id/ 组id

线程的特性

  • 线程的优势
    • 线程创建的开销（空间、时间）比进程小的多
    • 线程切换的代价比进程小的多
    • 可以通过分解线程到不同处理器提升计算密集型作业的性能
    • 可以通过重叠I/O提升I/O密集型作业性能，线程可以等待不同的I/O操作
  • 线程的劣势
    • 密集型作业中线程数 > 处理器数，额外的线程切换带来了额外的同步、调度的开销
    • 线程缺乏保护，需要注意不该共享的变量等，使得健壮性降低
    • 更复杂的线程间调度进一步增加了构建代码以及调试程序的难度

线程ID

被称为线程ID的有两个

  • 第一个 pthread_t类型，此类型仅仅用来进程内部区分个线程，属于NPTL实现的层面
    （在Linux中，线程实现是Native POSIX Thread Libaray,简称NPTL）
  • 第二个 pid_t类型，是操作系统对线程的唯一标识符，属于内核进程调度的层面

后者即为 ps -elf看到的 LWP

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ps -eLf |head -1 && ps -eLf |grep a.out |grep -v grep`
 UID   PID   PPID    LWP   C  NLWP  STIME   TTY      TIME CMD
root  27243  23337  27243  0    2   11:22  pts/0  00:00:00 ./a.out
root  27243  22337  27244  0    2   11:22  pts/0  00:00:00 ./a.out

可以看到两行数据中 pid 是相同的
因为线程属于同一个进程，所以调用gitpid时，都会返回同一个进程pid
因为pid相同，只能用另一个标识区分内核下不同线程，即pid_t类型的线程ID

每个线程拥有独立的task_struct，从task_struct对pid与线程ID得到更清晰的理解

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 struct task_struct {
    ...
    pid_t pid;
    pid_t tgid;
    ...
    struct task_struct *group_leader;
    struct list_head thread_group;
};
  • pid 即进程id
  • tgid Thread Group ID 就是对应LWP的线程ID
  • 进程内所有线程属于一个线程组，第一个被创建的线程（即原来单进程单线程对应的线程）为主线程，该线程ID = 线程组 ID
  • NLWP 即为线程组内线程的数量

线程的创建与销毁

POSIX（可移植作业系统接口）标准规定了一系列对线程的操作函数（用户级函数库）
（使用makefile时要使用编译器命令的“-lpthread”）

以下是一个创建线程的例子

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//API介绍见下文
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *myThread(void *arg)
{
    print("This is %sst thread\n \
            My Thread ID is %d\n", (char*)arg, phread_self() );
    
    return (void*)1;
    
    //exit(111); 调用此语句会使得整个进程退出
    //pthread_exit( (void*)1 ); 线程退出函数（主线程不能使用，必须用进程的方式终止）
}

int main()
{
    print("This is %sst thread\n \
            My Thread ID is %d\n", "1", phread_self() );
    
    prhtread_t tid; //tid的初始化由pthread_create完成
    pthread_create(&tid, NULL, myThread, "2");
    
    void *ret;
    pthread_join(tid, &ret); //ret接收线程函数返回值
    
    
    printf("main thread has created a new thread,it‘s result is &d\n", (int)ret);
    
    return 0;

其中

  • int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*star t_routine)(void*), void *arg);
    • 用来创建一个线程
    • thread:返回线程ID
    • attr:线程属性，NULL表⽰使⽤用默认属性
    • start_routine:线程启动后执行的函数的地址
    • arg:线程启动的参数
    • 成功返回0，失败返回错误码（其他函数一般返回-1，并设置错误码），也可以读取线程内错误码，但接受返回值的开销少一些
  • int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);
    • 阻塞的方式等待线程结束，如果不做此操作，则将遇到类似「僵尸进程」的问题，即资源泄漏
    • &tid即prhtread_t类型的线程ID
    • void **用来接受线程函数返回值
    • 类似pthread_create，pthread_join成功返回0，失败放回错误码
  • pthread_t pthread_self(void);
    • 获取当前线程的用户级线程ID
  • int pthread_cancel(pthread_t thread);
    • 取消一个执行中的进程

上文中的pthread_join虽然达到了避免资源泄漏的问题，但是会让主线程进入阻塞态
在我们不关心返回值的时候，我们还可以通过分离线程同样避免资源泄漏的问题
用「分离线程」替代「等待线程」：

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


void *myThread(void *arg)
{
    sleep(1); //如果sleep加在main函数detach语句前，那么线程取消时线程可能已经执行了return
    
    printf("haha");
    return (void*)1;
}

int main()
{
    prhtread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, myThread, "2");
    
    void *ret;
    pthread_join(tid, &ret); //ret接收线程函数返回值
    pthread_detach(tid);    
    return 0;

其中

  • int pthread_detach(pthread_t thread);
    • 分离一个线程，可以不用阻塞主线程达到线程结束自动归还资源的目的（但无法接受返回值）
    • 可以自己分离自己，也可以由主线程分离
    • 分离的线程还依赖进程资源，发生异常依旧会引起 core dumped