Linux线程简述

线程概述

与进程(process)类似，线程(thread)是允许应用程序并发执行任务多个任务的一种机制。一个进程中可以包含多个线程。重点是 同一程序中的所有线程都会执行相同程序，它们共享同一份全局内存区域，其中包括了初始化数据段，未初始化数据段，以及堆内存段。可以这么说，传统UNIX进程只是多线程程序的一个特例，在一个进程中只有一个线程。

线程的优点

在说明线程的优点之前，先说说进程的缺点，毕竟一种新事物的出现，总是为了解决旧事物的一些问题的。以下为进程的一些缺点：

• 进程间的信息难以共享。这很好理解，进程之间是不同的内存区域的，彼此隔离，若是需要共享信息，需要使用IPC进程间通信。
• 调用fork()来创建进程的代价相对来说较高，需要复制诸如内存页表，文件描述符表等内容。

以上就是线程需要解决的问题，以下为线程的优点：

• 线程之间能够方便，快速地共享信息，不过相对地需要考虑线程间竞争的问题，这是同步需要解决的问题
• 创建线程比创建进程通常要快得多，因为它无需复制各种内容。

Linux调用PThreads API

创建线程

程序启动时，产生的进程只有单条线程，称之为初始或主线程。创建线程的函数如下：

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

以上参数的具体含义请参考函数手册。

值得注意的是，此函数调用后，应用程序无法确定系统接着会调度哪一个线程来使用CPU资源。

终止线程

首先来总结下终止线程的方法：

• 线程的start函数执行return语句，并返回指定值
• 线程调用pthread_exit()
• 调用pthread_cancel()取消线程
• 任意线程调用了exit()，或者主线程在main函数中执行了return语句，这会导致进程中所有线程都立即终止。

下面来介绍下终止线程函数：

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

此函数的执行相当于在线程的start函数中执行return语句，但是此函数可以在start函数中的任意函数中进行调用。
值得注意的是，若是主线程调用了pthread_exit()，而不是exit()或者执行return语句，那么其他线程将会继续运行。

线程ID

线程id是一个很重要的标识。每一个线程都有唯一的标识，这个标识会通过pthread_create()来返回给调用者，线程使用如下的函数来获取到自己的线程id：

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

线程id是非常有用的，理由如下：

• 不同的线程函数利用线程id来标识要操作的目标线程。
• 在一些应用程序中，通过特定的线程的线程id来作为动态数据结构的标签

要检查两个线程id是否相同，需要使用专有函数：

#include <pthread.h>int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);

连接(joining)已终止的线程

此函数的作用类似于进程中的wait函数，此函数可以等待返回线程的终止状态，若是没有进行连接，极有可能会出现僵尸线程。此函数声明如下：

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

线程的分离

默认情况下，线程是可以连接的，换句话说可以使用以上声明的函数来获取线程的终止状态。但是有一种场景，开发者不关心线程的返回状态，只是希望系统在线程终止时能够自动清理并移除。这时候就可以使用以下的函数来进程操作：

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

线程同步

接下来介绍线程的同步，线程同步主要涉及到两个工具

• 互斥量(mutexe)
• 条件变量(condition)

其中互斥量可以用来帮助线程同步对共享资源的使用，以防止线程甲试图访问一共享变量的同时，线程乙却试图对该变量进行修改。而条件变量则是用来在线程间相互通知共享变量的状态发生了变化。

之前有提到过，线程的一个主要优势就是能够通过全局变量来共享信息，但是这种便捷是有代价的：

需要确保多个线程不会同时修改同一变量，或者说，某一线程不会读取正由其他线程修改的变量。

这里提下 临界区的概念：这是指某一共享资源的代码片段，且其为原子操作，也就是说同时访问同一共享资源的其他线程不会终端该片段的执行。

互斥量有两种状态：

• 已锁定(locked)
• 未锁定(unlocked)

任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将会导致线程阻塞，或者报错。

一旦线程锁定互斥量，随即就成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。因为所有权的关系，有时候又用获取(acquire),和释放(release)来代替加锁和解锁。

每个线程在访问同一资源时，将遵循如下的协议：

• 针对共享资源锁定资源
• 访问共享资源
• 对互斥量解锁

若是多个线程执行这一代码块，那么执行流程如下图所示：

还有一点需要说明的是，互斥锁从来都是一种建议而非强制的，在使用互斥锁时，需要遵循既定的锁定规则。

## PThread API

互斥量可以像静态变量那样分配，也可以在运行时动态创建，首先介绍静态创建：

只需以下代码即可以创建：

#include <pthread.h>pthread_mutex mtx = PTHREAD_MUTEX_INTIALIZER;

加锁解锁互斥量

调用以下函数来对互斥量进行加解锁：

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

在锁定互斥量之前，需要指定互斥量，这里存在几种情况:

• 该互斥量处于未锁定状态，那么调用会锁定互斥量，并立即返回
• 该互斥量处于锁定状态，那么调用会一直阻塞，直至该互斥量被解锁，之后锁定并返回
• 若是调用程序自身已然将目标互斥量锁定，那么会产生死锁或者是调用失败，这要视情况决定

如果有不止一个线程在等待unlock调用的互斥量，那么无法肯定判断哪个线程会如愿以偿。

互斥量的死锁

通常情况下，一个线程会同时访问两个或者更多不同的共享资源，每个资源都是由不同的互斥量来进行管理的，当超过一个线程加锁同一组互斥量时，就有可能发生死锁。举个例子，如下图:

在此图中，线程A锁定了mutex1，试图去获取锁定mutex2，而线程B则是锁定了mutex2，试图去获取锁定mutex1,。这样的话，线程A，B都在等待对方释放互斥量，这样就产生了死锁。

如何避免？

在这里提供以下两种解决方法：

• 最简单的就是定义互斥量的层级关系，当多个线程对一组互斥量操作时，总是以相同的顺序对该组互斥量竞争锁定，在上面的例子中，若是两个线程总是执行先锁定mutex1，再锁定mutex2，死锁就不会出现。
• 另一种方法是，”尝试一下，然后恢复“。具体来说，线程先锁定第一个互斥量，然后调用trylock函数来锁定其他的互斥量，如实任一trylock调用失败，那么该线程直接释放其所有的互斥量，然后再依次去获取。这种方法再某种程度上是可以规避死锁的情况。

接下来介绍互斥量的动态初始化

其动态初始化，主要是使用了以下的函数：

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t  *attr);

有创建。相对地就有销毁，其函数调用为：

#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

值得注意的是，销毁必须要在互斥量处于未锁定状态，且后续也无任何线程企图去锁定它时，才能进行销毁

关于互斥量的类型，可以查看函数手册，不过需要记住以下几点规则：

• 同一线程不应对同一互斥量加锁两次
• 线程不应对不为自己所拥有的互斥量解锁
• 线程不应对尚未锁定的互斥量做解锁动作

通知状态的改变 条件变量

上述的互斥量防止多个线程同时访问同一共享变量。条件变量允许一个线程就某个共享变量的状态变化通知其他线程，并让其他线程等待，阻塞于这一通知。

条件变量总是结合互斥量来使用的。条件变量就共享变量的状态改变发出通知，而互斥量则提供对该共享变量访问的互斥。

静态分配的条件变量

其实现函数主要如下：

#include <pthread.h>pthread_cond_t   cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

通知和等待条件变量

条件变量的主要操作就是发送信号和等待。发送信号操作就是通知一个或者多个处于等待状态的线程，某个共享变量的状态已经改变了。等待操作是指在收到一个通知前一直处于阻塞状态。

如上所述的在代码层面上如下：

#include <pthread.h>int pthread_cond_signal(pthread_t *cond);int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_wait(pthread_cond_t  *cond,pthread_mutex_t *mutex);

条件变量与互斥量之间的关系如此紧密，以至于它们有如下的天然联系：

• 线程在准备检查共享变量状态时锁定互斥量
• 检查共享变量的状态
• 如果共享变量未处于预期状态，线程应在等待条件变量并进入休眠前解锁互斥量
• 当线程因为条件变量的通知而被再度唤醒时，必须对互斥量再次加锁，因为在通常情况下，线程会立即访问共享变量

既然条件变量具有静态创建，同样拥有动态创建，如下：

#include <pthread.h>int pthread_cond_init(pthread_cond_t *mutex,const pthread_condattr_t  *attr);

同样地，成对出现的销毁操作：

#include <pthread.h>int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *mutex);

线程取消

在通常情况下，程序中的多个线程会并发执行，每个线程各司其职，直至其决意退出，但是也存在着需要取消线程的情况。

其取消函数为;

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

在调用此函数之中，目标线程如何去响应，这取决于其取消状态和类型。如果禁用线程的取消性状态，那么请求会保持挂起状态，直至将线程的取消性状态置为启用，如果启用取消性状态，那么线程何时响应请求则依赖于取消性类型。若类型为延时取消，则在线程下一次调用某个取消点(这个知识点很好理解，线程在执行之后，不可能立即取消掉，为了能确定其取消时间点，设置了取消点），取消发生，若是异步取消，取消动作则随时可能发生。

线程可以设置一个清理函数栈，其中的清理函数由开发人员来自己定义，当函数遭到取消时，会自动调用这些函数以执行清理工作，这里所说的清理工作为恢复共享变量状态，解锁互斥量等等。