Linux线程（二）----- 线程控制

前言

一、线程资源区

1.1 线程私有资源

1.2 线程共享资源

1.3 原生线程库

二、线程控制接口

2.1 线程创建

2.1.1 创建一批线程

2.2 线程等待

2.3 终止线程

2.4 线程实战

2.5 其他接口

2.5.1 关闭线程

2.5.2 获取线程ID

2.5.3 线程分离

三、深入理解线程

3.1 理解线程库及线程ID

3.2 理解线程独立栈

3.3 理解线程局部存储

前言

线程是进程内部的一个执行流，作为 CPU 运行的基本单位，对于线程的合理控制与任务的执行效率息息相关，因此掌握线程基本操作（线程控制）是很有必要的

一、线程资源区

1.1 线程私有资源

Linux 中没有真线程，只有复用 PCB 设计思想的 TCB 结构

因此 Linux 中的线程本质上就是轻量级进程（LWP），一个进程内的多个线程看到的是同一个进程地址空间，所以所有的线程可能会共享进程的大部分资源

但是如果多个执行流（多个线程）都使用同一份资源，如何确保自己的相对独立性呢？

相对独立性：线程各司其职，不至于乱成一锅粥

显然，多线程虽然共同 “生活” 在一个进程中，但也需要有自己的 “隐私”，而这正是 线程私有资源

线程私有资源：

线程 ID ：内核观点中的 LWP
一组寄存器: 线程切换时，当前线程的上下文数据需要被保存
线程独立栈: 线程在执行函数时，需要创建临时变量
错误码 errno: 线程因错误终止时，需要告知父进程
信号屏蔽字: 不同线程对于信号的屏蔽需求不同
调度优先级: 线程也是要被调度的，需要根据优先级进行合理调度

其中，线程 最重要 的资源是 一组寄存器（体现切换特性）和独立栈（体现临时运行特性）

这两个资源共同构成了最基本的线程

1.2 线程共享资源

除了上述提到的 线程私有资源 外，多线程还共享着进程中的部分资源

共享的定义：不需要太多的额外成本，就可以实现随时访问资源

基于多线程看到的是同一块进程地址空间，理论上 凡是在进程地址空间中出现的资源，多线程都是可以看到的

但实际上为了确保线程调度、运行时的独立性，只能共享部分资

这也就是线程中的栈区称作 “独立栈” 的原因：某块栈空间属于某个线程，其他线程是可以访问的，为了确保独立性，并不会这样做

在 进程地址空间 中，诸如 共享区、全局数据区等 这类天生自带共享属性的区域支持 多线程共享

在 Linux 中，多线程共享资源如下

线程共享资源：

共享区、全局数据区、字符常量区、代码区: 常规资源共享区
文件描述符表: 进行 IO 操作时，无需再次打开文件
每种信号的处理方式: 多线程共同构成一个整体，信号的处理动作必须统一
当前工作目录: 即使是多线程，也是位于同一工作目录下
用户 ID 和组 ID: 进程属于某个组中的某个用户，多线程也是如此

其中，线程 较重要 的共享资源是：文件描述符表

涉及 IO 操作时，多线程 多路转接 非常实用

1.3 原生线程库

在之前编译多线程相关代码时，我们必须带上一个选项：-lpthread，否则就无法使用多线程相关接口

带上这个选项的目的很简单：使用 pthread 原生线程库

接下来对原生线程库进行一个系统性的理解

首先，在 Linux 中是没有真正意义上的线程的，有的只是通过进程模拟实现的线程（LWP）

站在操作系统角度：并不会提供对线程控制的相关接口，最多提供轻量级进程操作的相关接口

但是对于用户来说，只认识线程，并不清楚轻量级进程

所以为了使用户能愉快的对线程进行操作，就需要对系统提供的轻量级进程操作相关接口进行封装：对下封装轻量级进程操作相关接口，对上给用户提供线程控制的相关接口

这里很好的体现了计算机界的哲学：通过添加一层软件层解决问题

在 Linux 中，封装轻量级进程操作相关接口的库称为 pthread 库，即 原生线程库，这个库文件是所有 Linux 系统都必须预载的，用户使用多线程控制相关接口时，只需要指明使用 -lpthread 库，即可正常使用多线程控制相关接口

二、线程控制接口

2.1 线程创建

要想控制线程，得先创建线程，对于 原生线程库 来说，创建线程使用的是 pthread_create 这个接口

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

先来认识一下函数中涉及的参数：

参数1 pthread_t*：线程 ID，用于标识线程，其实这玩意本质上就是一个 unsigned long int 类型

注：pthread_t* 表明这是一个输出型参数，旨在创建线程后，获取新线程 ID

参数2 const pthread_attr_t*：用于设置线程的属性，比如优先级、状态、私有栈大小，这个参数一般不考虑，直接传递 nullptr 使用默认设置即可

参数3 void *(*start_routine) (void *)：这是一个很重要的参数，它是一个返回值为 void* 参数也为 void* 的函数指针，线程启动时，会自动回调此函数（类似于 signal 函数中的参数2）

参数4 void*：显然，这个类型与回调函数中的参数类型匹配上了，而这正是线程运行时，传递给回调函数的参数

返回值 int：创建成功返回 0，失败返回 error number

明白创建线程函数的各个参数后，就可以尝试创建一个线程了

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;void* threadRun(void *arg)
{while(true){cout << "我是次线程，我正在运行..." << endl;sleep(1);}return nullptr;
}int main()
{pthread_t t;pthread_create(&t, nullptr, threadRun, nullptr);while(true){cout << "我是主线程 " << " 我创建了一个次线程 " << t << endl;sleep(1);}return 0;
}

可以通过 ps -aL 查看正在运行中的线程信息

接下来进行溯源！

1.如何验证 原生线程库 存在？

现在我们已经得到了一个链接 原生线程库 的可执行程序，可以通过 ldd 可执行程序 查看库的链接情况

ldd mythread

可以看到，原生线程库路径： /lib64/libpthread.so.0

足以证明原生线程库确确实实的存在于我们的系统中

2.为什么打印的次线程 ID 如此长？并且与 ps -aL 查出来的 LWP 不一致？

很长是因为它本质上是一个无符号长整型，至于为什么显示不一致的问题，需要到后面才能解答

3.程序运行时，主次线程的运行顺序？

线程的调度机制源于进程，而多进程运行时，谁先运行取决于调度器，因此主次线程运行的先后顺序不定，具体取决于调度器的调度

2.1.1 创建一批线程

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;#define NUM 5void* threadRun(void *name)
{while(true){cout << "我是次线程 " << (char*)name << endl;sleep(1);}return nullptr;
}int main()
{pthread_t pt[NUM];for(int i = 0; i < NUM; i++){// 注册新线程的信息char name[64];snprintf(name, sizeof(name), "thread-%d", i + 1);pthread_create(pt + i, nullptr, threadRun, name);}while(true){cout << "我是主线程，我正在运行" << endl;sleep(1);}return 0;
}

细节：传递 pthread_create 的参数1时，可以通过起始地址+偏移量的方式进行传递，传递的就是 pthread_t*

预期结果：打印 thread-1、thread-2、thread-3 …

实际结果：确实有五个次线程在运行，但打印的结果全是 thread-5

原因：char name[64] 属于主线程中栈区之上的变量，多个线程实际指向的是同一块空间，最后一次覆盖后，所有线程都打印 thread-5

这是由于多线程共享同一块区域引发的问题，解决方法就是在堆区动态匹配空间，使不同的线程读取不同的空间，这样就能确保各自信息的独立性

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;#define NUM 5void* threadRun(void *name)
{while(true){cout << "我是次线程 " << (char*)name << endl;sleep(1);}delete[] (char*)name;return nullptr;
}int main()
{pthread_t pt[NUM];for(int i = 0; i < NUM; i++){// 注册新线程的信息char *name = new char[64];snprintf(name, 64, "thread-%d", i + 1);pthread_create(pt + i, nullptr, threadRun, name);}while(true){cout << "我是主线程，我正在运行" << endl;sleep(1);}return 0;
}

显然，线程每次的运行顺序取决于调度器

注意：次线程由主线程创建，主线程就得对他们负责，必须等待他们运行结束，类似于父子进程间的等待机制；如果不等待，就会引发僵尸进程问题，不过线程这里没有僵尸线程的概念，直接影响就是次线程也全部退出了，主线程结束了，整个进程的资源都得被释放，次线程自然也就无法继续运行了

2.2 线程等待

主线程需要等待次线程，在 原生线程库 中刚好存在这样一个接口 pthread_join，用于等待次线程运行结束

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

照例先来看看参数部分

参数1 pthread_t：待等待的线程 ID，本质上就是一个无符号长整型类型；这里传递是数值，并非地址

参数2 void**：这是一个输出型参数，用于获取次线程的退出结果，如果不关心，可以传递 nullptr

返回值：成功返回 0，失败返回 error number

函数原型很简单，使用也很简单，我们可以直接在主线程中调用并等待所有次线程运行结束

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;#define NUM 5void* threadRun(void *name)
{while(true){cout << "我是次线程 " << (char*)name << endl;sleep(1);}delete[] (char*)name;return nullptr;
}int main()
{pthread_t pt[NUM];for(int i = 0; i < NUM; i++){// 注册新线程的信息char *name = new char[64];snprintf(name, 64, "thread-%d", i + 1);pthread_create(pt + i, nullptr, threadRun, name);}// 等待次线程运行结束for(int i = 0; i < NUM; i++){int ret = pthread_join(pt[i], nullptr);if(ret != 0)cerr << "等待线程 " << pt[i] << " 失败!" << endl;}cout << "所有线程都退出了" << endl;return 0;
}

2.3 终止线程

线程可以被创建并运行，也可以被终止，线程终止方式有很多种

比如 等待线程回调函数执行结束，次线程运行五秒后就结束了，然后被主线程中的 pthread_join 等待成功，次线程使命完成

void* threadRun(void *name)
{// 只让次线程运行五秒int n = 5;while(n--){cout << "我是次线程 " << (char*)name << endl;sleep(1);}delete[] (char*)name;return nullptr;
}

还有一种方法是 在次线程回调方法中调用 exit() 函数，但这会引发一个大问题：只要其中一个线程退出了，其他线程乃至整个进程都得跟着退出，显然这不是很合理，不推荐这样玩多线程

void* threadRun(void *name)
{while(true){cout << "我是次线程 " << (char*)name << endl;sleep(1);// 直接终止进程，退出码设为 10exit(10);}delete[] (char*)name;return nullptr;
}

每个线程顶多存活一秒（存活在同一秒中）就被终止了，通过 echo $? 查询最近一次退出码，正是 10

其实 原生线程库 中有专门终止线程运行的接口 pthread_exit，专门用来细粒度地终止线程，谁调用就终止谁，不会误伤其他线程

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

仅有一个参数 void*：用于传递线程退出时的信息

这个参数名叫 retval，pthread_join 中的参数2也叫 retval，两者有什么不可告人的秘密吗？
答案是这俩其实本质上是同一个东西，pthread_join 中的 void **retval 是一个输出型参数，可以把一个 void * 指针的地址传递给 pthread_join 函数，当线程调用 pthread_exit 退出时，可以根据此地址对 retval 赋值，从而起到将退出信息返回给主线程的作

所以比较完善的多线程操作应该是这样的：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;#define NUM 5void* threadRun(void *name)
{cout << "我是次线程 " << (char*)name << endl;sleep(1);delete[] (char*)name;pthread_exit((void*)"EXIT");// 直接return "EXIT" 也是可以的// return (void*)"EXIT";
}int main()
{pthread_t pt[NUM];for(int i = 0; i < NUM; i++){// 注册新线程的信息char *name = new char[64];snprintf(name, 64, "thread-%d", i + 1);pthread_create(pt + i, nullptr, threadRun, name);}// 等待次线程运行结束void *retval = nullptr;for(int i = 0; i < NUM; i++){int ret = pthread_join(pt[i], &retval);if(ret != 0)cerr << "等待线程 " << pt[i] << " 失败!" << endl;cout << "线程 " << pt[i] << " 等待成功，退出信息是 " << (const char*)retval << endl;}cout << "所有线程都退出了" << endl;return 0;
}

既然线程复用进程的设计思想，为什么线程退出时不需要考虑是否正常退出、错误码是什么之类的？

因为线程是进程的一部分，在进程中获取线程的错误信息等是无意义的，前面说过，如果一个线程因错误而被终止了，那么整个进程也就都活不了了，错误信息甄别交给父进程去完成，因此 pthread_join 就没必要关注线程退出时的具体状态了；如果次线程有信息要交给主线程，可以通过 retval 输出型参数获取

2.4 线程实战

无论是 pthread_create 还是 pthread_join，他们的参数都有一个共同点：包含了一个 void* 类型的参数，这就是意味着我们可以给线程传递对象，并借此进行某种任务处理

比如我们先创建一个包含一下信息的线程信息类，用于计算 [0, N] 的累加和

线程名字（包含 ID）
线程编号
线程创建时间
待计算的值 N
计算结果
状态

为了方便访问成员，权限设为 public

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

结论：多线程可以传递对象指针，自由进行任务处理

2.5 其他接口

2.5.1 关闭线程

线程可以被创建，自然也可以被关闭，可以使用 pthread_cancel 关闭已经创建并运行中的线程

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

参数1 pthread_t：被关闭的线程 ID

返回值：成功返回 0，失败返回一个非零的 error number

这里可以直接模拟关闭线程的场景

#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;void *threadRun(void *arg)
{const char *ps = static_cast<const char*>(arg);while(true){cout << "线程 " << ps << " 正在运行" << endl;sleep(1);}pthread_exit((void*)10);
}int main()
{pthread_t t;pthread_create(&t, nullptr, threadRun, (void*)"Hello Thread");// 3秒后关闭线程sleep(3);pthread_cancel(t);void *retval = nullptr;pthread_join(t, &retval);// 细节：使用 int64_t 而非 uint64_tcout << "线程 " << t << " 已退出，退出信息为 " << (int64_t)retval << endl;return 0;
}

次线程可以自己关闭自己吗？答案是可以的，但貌似关闭后，主线程没有正常等待，整个进程一四正常结束（退出码为 0）
次线程可以关闭主线程吗？答案是不可以，类似于 kill -9 无法终止 1 号进程

2.5.2 获取线程ID

线程 ID 是线程的唯一标识符，可以通过 pthread_self 获取当前线程的 ID

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

返回值：当前线程的 ID

#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;void *threadRun(void *arg)
{cout << "当前次线程的ID为 " << pthread_self() << endl;return nullptr;
}int main()
{pthread_t t;pthread_create(&t, nullptr, threadRun, nullptr);pthread_join(t, nullptr);cout << "创建的次线程ID为 " << t << endl;return 0;
}

2.5.3 线程分离

父进程需要阻塞式等待子进程退出，主线程等该次线程时也是阻塞式等待，父进程可以设置为 WNOHANG，变成轮询式等待，避免自己一直处于阻塞；次线程该如何做才能避免等待时阻塞呢？

答案是 分离 Detach

线程在被创建时，默认属性都是 joinable 的，即主线程需要使用 pthread_join 来等待次线程退出，并对其进行资源释放；实际上我们可以把这一操作留给系统自动处理，如此一来主线程就可以不必等待次线程，也就可以避免等待时阻塞了，这一操作叫做线程分离

原生线程库 提供的线程分离接口是 pthread_detach

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

参数1 pthread_t：待分离的线程 ID

返回值：成功返回 0，失败返回 error number

线程分离的本质是将 joinable 属性修改为 detach，告诉系统线程退出后资源自动释放

注意：如果线程失去了 joinable 属性，就无法被 join，如果 join 就会报错

接下来简单使用一下线程分离

#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;void *threadRun(void *arg)
{int n = 3;while(n){cout << "次线程 " << n-- << endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t t;pthread_create(&t, nullptr, threadRun, nullptr);pthread_detach(t);int n = 5;while(n){cout << "主线程 " << n-- << endl;sleep(1);}return 0;
}

建议将 pthread_detach 放在待分离线程的线程创建语句之后，如果放在线程执行函数中，可能会因为调度优先级问题引发错误（未知结果）

线程被创建后，谁先执行不确定

总之，线程被分离后，主线程就可以不必关心了，即不需要 join 等待，是否分离线程取决于具体的应用场景

三、深入理解线程

3.1 理解线程库及线程ID

在见识过 原生线程库 提供的一批便利接口后，不由得感叹库的强大，如此强大的库究竟是如何工作的呢？

原生线程库本质上也是一个文件，是一个存储在 /lib64 目录下的动态库，要想使用这个库，就得在编译时带上 -lpthread 指明使用动态库

程序运行时，原生线程库 需要从磁盘加载至内存中，再通过 进程地址空间 映射至 共享区 中供线程使用

由于用户并不会直接使用 轻量级进程 的接口，于是 需要借助第三方库进行封装，类似于用户可能不了解系统提供的 文件接口，从而使用 C语言封装的 FILE 库一样

对于 原生线程库 来说，线程不止一个，因此遵循 先描述，再组织 原则，在线程库中创建 TCB 结构（类似于 PCB），其中存储线程的各种信息，比如 线程独立栈 信息

在内存中，整个 线程库 就像一个 “数组”，其中的一块块空间聚合排布 TCB 信息，而 每个 TCB 的起始地址就表示当前线程的 ID，地址是唯一的，因此线程 ID 也是唯一的

因此，我们之前打印 pthread_t 类型的线程 ID 时，实际打印的是地址，不过是以十进制显示的，可以通过函数将地址转化为使用十六进制显示

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;string toHex(pthread_t t)
{char id[64];snprintf(id, sizeof(id), "0x%x", t);return id;
}void *threadRun(void *arg)
{cout << "我是[次线程]，我的ID是 " << toHex(pthread_self()) << endl;return (void*)0;
}int main()
{pthread_t t;pthread_create(&t, nullptr, threadRun, nullptr);pthread_join(t, nullptr);cout << "我是[主线程]，我的ID是 " << toHex(pthread_self()) << endl;return 0;
}

线程 ID 确实能转化为地址（虚拟进程地址空间上的地址）

注意： 即便是 C++11 提供的 thread 线程库，在 Linux 平台中运行时，也需要带上 -lpthread 选项，因为它本质上是对原生线程库的封装

3.2 理解线程独立栈

线程之间存在 独立栈，可以保证彼此之前执行任务时不会相互干扰，可以通过代码证明

多个线程使用同一个入口函数，并打印其中临时变量的地址

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;string toHex(pthread_t t)
{char id[64];snprintf(id, sizeof(id), "0x%x", t);return id;
}void *threadRun(void *arg)
{int tmp = 0;cout << "thread " << toHex(pthread_self()) << " &tmp: " << &tmp << endl;return (void*)0;
}int main()
{pthread_t t[5];for(int i = 0; i < 5; i++){pthread_create(t + i, nullptr, threadRun, nullptr);sleep(1);}for(int i = 0; i < 5; i++)pthread_join(t[i], nullptr);return 0;
}

可以看到五个线程打印 “同一个” 临时变量的地址并不相同，足以证明线程独立栈的存在

存在这么多 栈结构，CPU 在运行时是如何区分的呢？

答案是 通过栈顶指针 ebp 和栈底指针 esp 进行切换，ebp 和 esp 是 CPU 中两个非常重要的 寄存器，即便是程序启动，也需要借助这两个 寄存器 为 main 函数开辟对应的栈区

除了移动 esp 扩大栈区外，还可以同时移动 ebp 和 esp 更改当前所处栈区

所以，多线程中独立栈可以通过 ebp 和 esp 轻松切换并使用

如果想要在栈区中开辟整型空间，可以使用 ebp - 4 定位对应的空间区域并使用，其他类型也是如此，原理都是基地址 + 偏移量

注意：

所有线程都要有自己独立的栈结构（独立栈），主线程中用的是进程系统栈，次线程用的是库中提供的栈
多个线程调用同一个入口函数（回调方法），其中的局部变量地址一定不一样，因为存储在线程独立栈中

3.3 理解线程局部存储

线程之间共享 全局变量，对 全局变量 进行操作时，会影响其他线程

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;int g_val = 100;string toHex(pthread_t t)
{char id[64];snprintf(id, sizeof(id), "0x%x", t);return id;
}void *threadRun(void *arg)
{cout << "thread: " << toHex(pthread_self()) << " g_val: " << ++g_val << " &g_val: " << &g_val << endl;return (void*)0;
}int main()
{pthread_t t[3];for(int i = 0; i < 3; i++){pthread_create(t + i, nullptr, threadRun, nullptr);sleep(1);}for(int i = 0; i < 3; i++)pthread_join(t[i], nullptr);return 0;
}

在三个线程的影响下，g_val 最终变成了 103