【linux】多线程控制详述

时间：2021-05-24 01:12:17

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一、进程控制

1.1 POSIX线程库

这是由原生线程库提供的，遵守POSIX标准。这个标准就像前面学过的system V标准。
有以下特点：

1️⃣ 与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以pthread_打头的。
2️⃣ 要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h>。
3️⃣ 链接这些线程函数库时要使用编译器命令的-lpthread选项。

1.2 创建线程pthread_create

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);
Compile and link with -pthread.// 链接的时候必须加上-lpthread

RETURN VALUE
On success, pthread_create() returns 0; 
on error, it returns an error number, and the contents of *thread are undefined.

参数说明：
thread：线程id
attr：线程属性，直接设为null
start_routine：函数指针
arg：这个参数会传递进start_routine的void*参数中。

这里在链接的时候要注意link到系统给的原生线程库-lpthread。

对于错误的检查：
像我们以前的函数基本都是设置进全局变量errno来指示错误，而pthreads函数出错时不会设置全局变量errno，因为全部变量会被多个线程共享。它会将错误代码通过返回值返回。

1.2.1 创建一批线程

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <vector>
#include <unistd.h>

using std::cout;
using std::endl;

void* start_stream(void* str)
{
    std::string name = static_cast<const char*>(str);
    while(true)
    {
        cout << "i am new thread: " << name << endl;
        sleep(1);
    }
}

#define NUM 10

int main()
{
    // 创建一批线程
    for(int i = 0; i < NUM; i++)
    {
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, nullptr, start_stream, (void*)"new thread");
    }

    // 创建完毕
    while(true)
    {
        cout << "-----------create success-----------" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

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现在我们给每个线程传递进去的时候加上一个编号：

for(int i = 1; i <= NUM; i++)
{
    pthread_t tid;
    char buf[64];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%s:%d", "thread", i);
    pthread_create(&tid, nullptr, start_stream, (void*)buf);
}

【linux】多线程控制详述
为什么会出现这个现象呢？
【linux】多线程控制详述
那么真正的写法应该是什么呢？
我们主要目的是让每个线程都不会共享buf。

class ThreadData
{
public:
    pthread_t _tid;
    char _buf[64];
};

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    while(true)
    {
        cout << "i am new thread: " << ptd->_buf << endl;
        sleep(1);
    }
}

#define NUM 10

int main()
{
    // 创建一批线程
    for(int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        ThreadData *ptd = new ThreadData();
        snprintf(ptd->_buf, sizeof(ptd->_buf), "%s:%d", "thread", i);
        pthread_create(&ptd->_tid, nullptr, start_stream, (void*)ptd);
    }

    // 创建完毕
    while(true)
    {
        cout << "-----------create success-----------" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这样每个线程所获得的buf都是不同的。
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再加上一个计数器：

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        // cout << "i am new thread: " << ptd->_buf << " cnt: " << cnt << endl;
        printf("i am new thread: %s cnt: %d &cnt: 0x%x\n", ptd->_buf, cnt, &cnt);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    delete ptd;
    return nullptr;
}

【linux】多线程控制详述
这里可以看到每个线程cnt的地址都不一样，所以每个线程都有不同的cnt，不会相互影响。
这就证明了每一个线程都有自己独立的栈结构。
这个调用方法函数就是一个可重入函数，每个线程都会形成独立的栈帧。

1.3 终止线程pthread_exit

首先要知道最基本的终止方法：
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这里要注意exit不能用来终止线程，使用exit整个进程都会退出，所以exit是用来终止进程的。

POSIX线程库专门给了一个接口用来结束终止线程。

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *retval);

Compile and link with -pthread.

参数可以默认设置为nullptr。

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        printf("i am new thread: %s cnt: %d &cnt: 0x%x\n", ptd->_buf, cnt, &cnt);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    delete ptd;
    //return nullptr;
    pthread_exit(nullptr);// 结束线程
}

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可以看到把新建线程结束后，主线程还在继续运行。
当然也可以使用return来终止。

1.4 线程等待pthread_jion

跟进程一样线程也是要等待的，如果不等待，就会造成内存泄漏（类似僵尸进程）。
而等待主要是要做：

  • 获取新线程的退出信息。
  • 回收新线程对应的PCB等内核资源，防止内存泄漏。
#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

Compile and link with -pthread.

RETURN VALUE
On success, pthread_join() returns 0; 
on error, it returns an error number.

参数说明：

thread：要等待的线程。
retval：后面1.4.1线程的返回值详细说明。

class ThreadData
{
public:
    pthread_t _tid;
    char _buf[64];
};

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        printf("i am new thread: %s cnt: %d &cnt: 0x%x\n", ptd->_buf, cnt, &cnt);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    delete ptd;
    // return nullptr;
    pthread_exit(nullptr);// 结束线程
}

#define NUM 10

int main()
{
    // 创建一批线程
    std::vector<ThreadData*> tids;
    for(int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        ThreadData *ptd = new ThreadData();
        snprintf(ptd->_buf, sizeof(ptd->_buf), "%s:%d", "thread", i);
        pthread_create(&ptd->_tid, nullptr, start_stream, (void*)ptd);
        tids.push_back(ptd);
    }
    for(auto& e : tids)
    {
        printf("creat thread: %s : 0x%x success\n", e->_buf, e->_tid);
    }
    return 0;
}

这是没有等待线程的代码
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可以看到主线程运行完就直接结束了进程，所有新线程也全部结束。

进行线程等待的代码：

class ThreadData
{
public:
    pthread_t _tid;
    char _buf[64];
};

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("i am new thread: %s cnt: %d &cnt: 0x%x\n", ptd->_buf, cnt, &cnt);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    // return nullptr;
    pthread_exit(nullptr);// 结束线程
}

#define NUM 10

int main()
{
    // 创建一批线程
    std::vector<ThreadData*> tids;
    for(int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        ThreadData *ptd = new ThreadData();
        snprintf(ptd->_buf, sizeof(ptd->_buf), "%s:%d", "thread", i);
        pthread_create(&ptd->_tid, nullptr, start_stream, (void*)ptd);
        tids.push_back(ptd);
    }
    for(auto& e : tids)
    {
        printf("creat thread: %s : 0x%x success\n", e->_buf, e->_tid);
    }
    // 线程等待
    for(auto& e : tids)
    {
        int n = pthread_join(e->_tid, nullptr);
        assert(n == 0);
        delete e;
    }
    cout << "main thread quit" << endl;
    return 0;
}

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可以看到新线程也都执行到了结尾。

1.4.1 线程的返回值（退出码）

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这里的返回值究竟是干什么的呢？
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这样我们就可以在pthread_jion的时候来获取线程结束的返回值。

class ThreadData
{
public:
    int _number;
    pthread_t _tid;
    char _buf[64];
};

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("i am new thread: %s cnt: %d &cnt: 0x%x\n", ptd->_buf, cnt, &cnt);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    // return nullptr;
     pthread_exit((void*)ptd->_number);// 结束线程
}

#define NUM 10

int main()
{
    // 创建一批线程
    std::vector<ThreadData*> tids;
    for(int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        ThreadData *ptd = new ThreadData();
        ptd->_number = i;
        snprintf(ptd->_buf, sizeof(ptd->_buf), "%s:%d", "thread", i);
        pthread_create(&ptd->_tid, nullptr, start_stream, (void*)ptd);
        tids.push_back(ptd);
    }
    for(auto& e : tids)
    {
        printf("creat thread: %s : 0x%x success\n", e->_buf, e->_tid);
    }
    // 线程等待
    for(auto& e : tids)
    {
        void* ret = nullptr;
        int n = pthread_join(e->_tid, &ret);
        assert(n == 0);
        printf("join success: %d\n", (long long)(ret));
        delete e;
    }
    cout << "main thread quit" << endl;
    return 0;
}

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可以看到拿到了返回值（退出码）。

那么这个ret是怎么拿到数据的呢？

线程结束时会把返回值写入pthread库暂时保存，这时候其实我们设置的ret变量类型和库中临时保存的类型相同，但是由于这是个函数调用，我们没办法直接赋值。
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所以我们吧ret的地址传进去，函数内部自己帮我们实现（蓝色）
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这里我们思考一个问题：线程退出的时候为什么没有跟进程退出那样有退出信号？

因为信号是发给进程的，整个进程都会被退出，要退出信号也没有意义了。
所以pthread_jion默认认为能够调用成功，不考虑异常问题，异常应该是进程考虑的问题。

1.5 取消线程pthread_cancel

想要取消线程的前提是线程得先跑起来。

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread);

Compile and link with -pthread.

RETURN VALUE
On success, pthread_cancel() returns 0; 
on error, it returns a nonzero error number.

我们可以取消一半的线程，观察这一半和剩余一半的区别：

class ThreadData
{
public:
    int _number;
    pthread_t _tid;
    char _buf[64];
};

void* start_stream(void* args)
{
    ThreadData *ptd = static_cast<ThreadData *>(args);
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        printf("i am new thread: %s cnt: %d &cnt: 0x%x\n", ptd->_buf, cnt, &cnt);
        cnt--;
        sleep(1);
    }
    // return nullptr;
     pthread_exit((void*)100);// 结束线程
}

#define NUM 10

int main()
{
    // 创建一批线程
    std::vector<ThreadData*> tids;
    for(int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        ThreadData *ptd = new ThreadData();
        ptd->_number = i;
        snprintf(ptd->_buf, sizeof(ptd->_buf), "%s:%d", "thread", i);
        pthread_create(&ptd->_tid, nullptr, start_stream, (void*)ptd);
        tids.push_back(ptd);
    }
    for(auto& e : tids)
    {
        printf("creat thread: %s : 0x%x success\n", e->_buf, e->_tid);
    }

    // 取消一半的线程
    for(int i = 0; i < tids.size() / 2; i++)
    {
        pthread_cancel(tids[i]->_tid);
    }
    // 线程等待
    for(auto& e : tids)
    {
        void* ret = nullptr;
        int n = pthread_join(e->_tid, &ret);
        assert(n == 0);
        printf("join success: %d\n", (long long)(ret));
        delete e;
    }
    cout << "main thread quit" << endl;
    return 0;
}

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所以线程如果是被取消的，那么它的退出码是-1。它其实是一个宏：PTHREAD_CANCELED。

1.6 C++多线程

我们可以用C++给我们提供的线程库：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>

using std::cout;
using std::endl;



int main()
{
    std::thread t([](){
        while(true)
        {
            cout << "i am new thread" << endl;
            sleep(1);
        };
    });

    while(true)
    {
        cout << "i am main thread" << endl;
        sleep(1);
    }

    t.join();
    return 0;
}

【linux】多线程控制详述
注意编译的时候得链接-lpthread。
因为任何语言想要在linux中实现多线程，必须要使用pthread库。而我们现在写的C++11中的多线程，本质上就是对pthread库的封装。

在后边会模拟线程库的实现。

1.7 分离线程pthread_detach

默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。
如果不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。

先写一个正常的创建线程：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using std::cout;
using std::endl;

std::string GetId(const pthread_t& _id)
{
    char buf[64];
    snprintf(buf, sizeof(buf), " 0x%x", _id);
    return buf;
}

void* start_stream(void* args)
{
    std::string name = static_cast<const char*>(args);
    while(true)
    {
        cout << "i am new thread name: " << name << GetId(pthread_self()) << endl;
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(nullptr);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, start_stream, (void*)"thread one");
    cout << "i am main thread, new id: " << GetId(tid) << endl;
    pthread_join(tid, nullptr);
    return 0;
}

【linux】多线程控制详述

解释一下这里的pthread_self()，哪个线程调用这个函数，就可以获得该线程的id。

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);

Compile and link with -pthread.

RETURN VALUE
This function always succeeds, returning the calling thread's ID.

而上面我们进过验证看到获取的确实是新线程的id。

有了获取线程id的方法接下来就可以进行线程的分离。

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t thread);

Compile and link with -pthread.

RETURN VALUE
On success, pthread_detach() returns 0; 
on error, it returns an error number.

因为如果一个线程设置了分离，那么这个线程就不能被等待，而如果等待失败，就会返回错误码：

std::string GetId(const pthread_t& _id)
{
    char buf[64];
    snprintf(buf, sizeof(buf), " 0x%x", _id);
    return buf;
}

void* start_stream(void* args)
{
    std::string name = static_cast<const char*>(args);
    pthread_detach(pthread_self());// 线程分离
    int cnt = 5;
    while(cnt--)
    {
        cout << "i am new thread name: " << name << GetId(pthread_self()) << endl;
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(nullptr);
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, start_stream, (void*)"thread one");
    cout << "i am main thread, new id: " << GetId(tid) << endl;
    // 一个线程设置分离状态就不能被等待了
    int n = pthread_join(tid, nullptr);
    cout << "error: " << n << "->" << strerror(n) << endl;
    return 0;
}

【linux】多线程控制详述
但是这里的结果显示是正确的。是什么原因呢？

因为主线程和新线程执行顺序不确定，新线程还没来得及分离，主线程就执行到jion了，主线程就开始阻塞等待了，后续新线程分离了也不知道。

所以我们让主线程慢一点执行或者让主线程进行分离：
【linux】多线程控制详述
【linux】多线程控制详述
所以一旦有一个线程被分离，那么我们就可以不用管这个线程了，做自己的事情即可。

二、线程ID值

我们可以看到我们打印出来的线程ID：
【linux】多线程控制详述
那么它究竟是什么呢？

我们知道linux创建进程要通过pthread库提供的接口。所以原生库中可能存在多个线程，那么我们就必须要把这些线程管理起来。而描述这些线程的结构体是由原生线程库实现的，每一个结构体对应一个轻量级进程，所以线程是由库和OS共同实现的。

【linux】多线程控制详述
而库中描述线程的结构体到底是什么样子的呢？
【linux】多线程控制详述
每个结构体在库中就像一个数组一样被存储起来。而每个结构体的起始位置的地址就是线程的ID值。
这里也可以看到每个线程都有自己独立的栈结构，由库来维护。

主线程也有自己独立的栈：
【linux】多线程控制详述

三、线程局部存储__thread

int g_val = 0;

void* start_stream(void* args)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(args);
    while(true)
    {
        cout << name;
        printf(" g_val: %d &g_val 0x%x\n", g_val, &g_val);
        sleep(1);
        ++g_val;
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, start_stream, (void*)"thread one");
    while(true)
    {
        printf("main g_val: %d &g_val 0x%x\n", g_val, &g_val);
        sleep(1);
    }
    pthread_join(tid, nullptr);
    return 0;
}

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可以看到不同的线程共享一个全局变量。

但是当我们给g_val添加__thread属性后：
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从结果看g_val不是共享的了，而是每个线程独有一个。
添加__thread，可以将一个内置类型设置为线程局部存储。给每个线程都来一份。
是介于全局变量和局部变量之间线程特有的属性。

四、原生线程库的封装

我们想像1.6C++多线程那样来使用多线程该怎么办呢？
当然是对原生线程库进行封装。

// mythread.hpp
#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <cstring>
#include <string>
#include <cassert>
#include <functional>

class Thread;

class Context
{
public:
    Thread *_this;
    void *_args;

    Context()
        : _this(nullptr)
        , _args(nullptr)
    {}
};

class Thread
{
public:
    typedef std::function<void*(void*)> func_t;

    Thread(func_t fun, void* args, int number)
        : _func(fun)
        , _args(args)
    {
        char buf[64];
        snprintf(buf, sizeof buf, "thread-%d", number);
        _name = buf;
    }

    // 不加static就会有this指针
    static void* start_routine(void* args)
    {
        //return _func(args);
        // 无this指针，无法调用
        Context* pct = static_cast<Context*>(args);
        pct->_this->_func(pct->_args);
        delete pct;
        return nullptr;
    }

    void start()
    {
        // int n = pthread_create(&_tid, nullptr, _func, _args);
        // _func是C++函数，pthread_create是C接口，不能混编
        Context* pct = new Context();
        pct->_this = this;
        pct->_args = _args;
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, start_routine, pct);
        assert(n == 0);
        (void)n;
    }

    void join()
    {
        int n = pthread_join(_tid, nullptr);
        assert(n == 0);
        (void)n;
    }
private:
    std::string _name;// 线程名
    pthread_t _tid;// 线程id
    func_t _func;// 调用方法
    void *_args;// 参数
};

// mythread.cc
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "mythread.hpp"

using std::cout;
using std::endl;

void* start_handler(void* args)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(args);
    while(true)
    {
        cout << name << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    Thread* thread1 = new Thread(start_handler, (void*)"thread one", 1);
    Thread* thread2 = new Thread(start_handler, (void*)"thread two", 2);
    Thread* thread3 = new Thread(start_handler, (void*)"thread three", 3);
    thread1->start();
    thread2->start();
    thread3->start();
    thread1->join();
    thread2->join();
    thread3->join();
    return 0;
}

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