Linux系统编程—线程创建和终止

线程的资源

在同一个进程中，大部分资源都是所有线程所共享的，比如：
可执行程序的代码
程序的全局内存
堆内存
栈
文件描述符

但是线程还有一些独有的资源，包含：
线程 ID
线程自己的一套寄存器值
线程运行栈
调度优先级和策略
信号屏蔽字
errno 变量
线程私有数据

进程与线程的区别根本区别：

进程是操作系统资源分配的基本单位
线程是任务调度和执行的基本单位

在开销方面：
每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；
线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。

所处环境：
在操作系统中能同时运行多个进程（程序）；
而在同一个进程（程序）中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）

内存分配方面：
系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间；
而对线程而言，除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源。

包含关系：没有线程的进程可以看做是单线程的，如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；
线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。

pthread 线程库

pthread 是 POSIX.1 中定义的一套线程函数接口，所以这种线程也被称为 POSIX 线程。在我们后面的学习中，都会使用 pthread 线程库来操作线程，包括线程的创建、终止、互斥与同步等等。
要看你的的系统是否支持 POSIX 线程，可以判断宏 _POSIX_THREADS 是否被定义。

线程创建

函数原型：

typedef void *(*start_routine) (void *);
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, start_routine th_fn, void *arg);

参数1：
pthread_t 类型是线程 id 的类型，它可能是个整数（大多数是这样），也可能是结构体，这取决于具体实现。
thread 参数是一个传出参数，它主要用来接收被创建的线程的 id 号。在线程执行过程中调用函数pthread_self函数，可以获取到自己的线程 id 号。

参数2：
pthread_attr_t 类型是用来保存线程属性的结构体
参数 attr 可以传 NULL，表示创建具有默认属性的线程。有关线程的属性结构体，后文会作具体讲解。

参数3：
start_routine 是用来声明函数型如 void* th_fn(void* arg) 这样的函数的，它是线程过程函数。线程被创建后，一旦被调度，就会进入到函数 th_fn 中执行。

参数4：
最后一个参数 arg，是线程过程函数 th_fn 的参数。

返回值：
pthread_create 函数的返回值是一个错误码，返回 0 表示成功。和其它 POSIX 函数不同的是，pthread_create 函数执行错误并不会设置 errno 变量。

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

// 线程入口函数
void* th_fn(void *arg) {
    char* name = (char*)arg;
    int i;

    for (i = 1; i <= 10; ++i) {
        printf("%s : %d\n", name, i);

        // 判断是 张三 还是 李四
        if (strcmp("张三", name) == 0){
            usleep(1000*10); // 10 ms
        }
        else{
            usleep(1000*5); // 5ms
        }
    }

    return NULL;
}


int main() {
    int err;
    pthread_t p1, p2;
    char *name1 = "张三";
    char *name2 = "李四";

    // 创建张三线程。
    err = pthread_create(&p1, NULL, th_fn, (void*)name1);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_create1 error\n");
        return -1;
    }
    // 创建李四线程
    err = pthread_create(&p2, NULL, th_fn, (void*)name2);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_create2 error\n");
        return -1;
    }

    //如果没有此行，线程效果无法显示
    sleep(3);

    // 打印线程 id 号
    printf("张三 id: %lx\n", p1);
    printf("李四 id: %lx\n", p2);

    return 0;
}

编程和运行

// 注意需要链接 pthread 库
gcc thread.c -o thread -lpthread
./hellothread

线程终止

线程终止方式线程的终止包括两大类，主动终止和被动终止。

主动终止

线程过程函数执行 return 正常返回，返回值是线程的退出码
线种过程函数执行 pthread_exit 函数退出，其参数是线程退出码

被动终止

在其它线程中调用 pthread_cancel 函数
任意线程调用 exit、_Exit 或者 _exit 导致整个进程终止

pthread_exit 函数

pthread_exit 函数原型

void pthread_exit(void *rval_ptr);

该函数的参数是线程的退出码，它是无类型的指针。通过函数 pthread_join 可以获取到这个指针的值，它可以回收线程所使用的资源。

int pthread_join(pthread_t tid, void **rval_ptr);

调用pthread_join 会阻塞当前线程，直到指定的线程 tid 返回(return)、执行 pthread_exit 或者被其它线程取消（pthread_cancel)。rval_ptr 是一个输出参数，它用来接收线程退出码（是一个 void* 类型）。

pthread_cancel 函数

int pthread_cancel(pthread_t tid);

默认情况下，该函数的效果相当于在线程 tid 中调用 pthread_exit((void*)PTHREAD_CANCEL) 函数。

线程主动退出实例：

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


void* th_fn1(void* arg) {
    puts("thread 1 returning");
    return (void*)10;
}

void* th_fn2(void* arg) {
    puts("thread 2 exiting");
    pthread_exit((void*)20);
    puts("thread 2 exited");
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    int err;
    void* ret;

    err = pthread_create(&tid1, NULL, th_fn1, NULL);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_create1 error\n");
        return -1;
    }

    err = pthread_create(&tid2, NULL, th_fn2, NULL);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_create2 error\n");
        return -1;
    }

    sleep(2);

    // 主线程阻塞直到线程 tid1 退出
    err = pthread_join(tid1, &ret);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_join1 error\n");
        return -1;
    }
    printf("thread 1 exit code %d\n", (int)ret);

    // 主线程阻塞直到线程 tid2 退出
    err = pthread_join(tid2, &ret);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_join2 error\n");
        return -1;
    }
    printf("thread 2 exit code %d\n", (int)ret);

    return 0;
}

image.png

被动终止实例：

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


void* th_fn1(void* arg) {
    while(1) {
        puts("thread 1 running");
        sleep(1);
    }
    return (void*)10;
}

void* th_fn2(void* arg) {
    while(1) {
        puts("thread 2 running");
        sleep(1);
    }
    pthread_exit((void*)20);
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    int err;
    void* ret;
    
    err = pthread_create(&tid1, NULL, th_fn1, NULL);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_create1 error\n");
        return -1;
    }
    
    err = pthread_create(&tid2, NULL, th_fn2, NULL);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_create2 error\n");
        return -1;
    }
    
    sleep(5);
    
    // 通知 tid1 和 tid2 退出。
    pthread_cancel(tid1);
    pthread_cancel(tid2);
    
    err = pthread_join(tid1, &ret);
    
    // 线程退出码都是 PTHREAD_CANCELED
    printf("PTHREAD_CANCELED = %d\n", (int)PTHREAD_CANCELED);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_join1 error\n");
        return -1;
    }
    printf("thread 1 exit code %d\n", (int)ret);
    
    err = pthread_join(tid2, &ret);
    if (err != 0) {
        perror("pthread_join2 error\n");
        return -1;
    }
    printf("thread 2 exit code %d\n", (int)ret);
    
    return 0;
}

image.png