零基础Linux_22(多线程)线程控制和和C++的多线程和笔试选择题

1. 线程控制

1.1 线程创建(pthread_create)

1.2 线程结束(pthread_exit)

1.3 线程等待(pthread_join)

1.4 线程取消(pthread_cancel结束)

1.5 线程tid(pthread_self())

1.6 线程局部存储(__thread)

1.7 线程分离(pthread_detach)

2. C++的多线程

3. 笔试选择题

答案及解析

本篇完。

1. 线程控制

上一篇讲了线程/轻量级进程的概念，这篇讲讲线程的控制：退出，等待......

1.1 线程创建(pthread_create)

线程创建上一篇已经讲过了：

创建线程使用到的库函数接口，man pthread_create

pthread_t* thread：线程标识符tid，是一个输出型参数。
const pthread_attr_t* attr：线程属性，当前阶段一律设成nullptr。
void* (*start_routine)(void *)：是一个函数指针，线程执行的就是该函数中的代码。
void* arg：传给线程启动函数的参数，是上面函数指针指向函数的形参。
返回值：线程创建成功返回0，失败返回错误码。

看一下上篇出现线程异常的场景：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << name << ", pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
        static int cnt = 0;
        if (cnt++ == 7)
        {
            int *p = nullptr;
            *p = 777;
        }
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i); // 特定内容格式化到name中
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(1); // 缓解传参的bug
    }

    while (true)
    {
        cout << "main thread, pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

出现异常全部线程都退出了，有没有办法只让其中一个线程退出？

试试exit()；

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << name << ", pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
        static int cnt = 0;
        if (cnt++ == 7)
        {
            // int *p = nullptr;
            // *p = 777;
            exit(10);
        }
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid[5];
    char name[64];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i); // 特定内容格式化到name中
        pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
        sleep(1); // 缓解传参的bug
    }

    while (true)
    {
        cout << "main thread, pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

还是全部线程都退出了，这也再次认识了exit();就是终止进程的，所以不建议用。

1.2 线程结束(pthread_exit)

基于前面，我们的threadRun函数还有个是函数指针的返回值，返回个空指针试试：

可以发现名字为thread-1的线程好像退出了，其它线程没退出，就创建一个新线程看看：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << name << ", pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
        static int cnt = 0;
        if (cnt++ == 7)
        {
            // int *p = nullptr;
            // *p = 777;
            // exit(10);
            return nullptr;
        }
    }
}

int main()
{
    // pthread_t tid[5];
    // char name[64];
    // for (int i = 0; i < 5; i++)
    // {
    //     snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i); // 特定内容格式化到name中
    //     pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
    //     sleep(1); // 缓解传参的bug
    // }
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");

    while (true)
    {
        cout << "main thread, pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

可以发现新线程退出了，主线程还没退出。

POSIX线程库专门提供了一个接口来结束线程：pthread_exit()结束线程，man pthread_exit

void* retval：返回线程结束信息，当前阶段设置成nullptr即可。

调用该接口的线程会结束。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << name << ", pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
        static int cnt = 0;
        if (cnt++ == 7)
        {
            // int *p = nullptr;
            // *p = 777;
            // exit(10);

            //return nullptr;
            pthread_exit(nullptr);
        }
    }
}

int main()
{
    // pthread_t tid[5];
    // char name[64];
    // for (int i = 0; i < 5; i++)
    // {
    //     snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i); // 特定内容格式化到name中
    //     pthread_create(tid + i, nullptr, threadRun, (void *)name);
    //     sleep(1); // 缓解传参的bug
    // }
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");

    while (true)
    {
        cout << "main thread, pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

同样，7秒后，新线程会调用该接口，然后就只剩下主线程了，新线程结束了。

1.3 线程等待(pthread_join)

和进程一样，线程也是需要等待的，如果不等待会造成内存泄漏，也就是结束掉的线程PCB不会被回收（类似僵尸进程），但是我们看不到没有回收的现象。

线程等待系统调用：

第一个参数pthread_t thread：要等待的线程tid。
第二个参数void** retval：线程结束的信息返回，这是一个输出型参数。
返回值：等待成功返回0，等待失败返回错误码。

演示一下使用：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << name << ", pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
        static int cnt = 0;
        if (cnt++ == 7)
        {
            pthread_exit((void*)777);
        }
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");

    int *ret = nullptr;
    pthread_join(tid, (void **)&ret); // 默认会阻塞等待新线程退出
    cout << "main quit ...: new thead quit : " << (long long)ret << endl;
    // linux下64位的，指针是8个字节，所以强转成long long 8个字节
    while (true)
    {
        cout << "main thread, pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

可以看到，主线程在执行到线程等待的时候，会阻塞等待，不再往下执行，直到新线程都等待成功才会继续向下执行。

在主线程的栈区中有一个void类型的指针变量，新线程中返回的void类型指针会放到这个ret中。

pthread线程库中有一个void** 类型的二级指针变量retval。
pthread_join()系统调用将主线程中void*类型的指针变量的地址传给了pthread线程库中的二级指针变量，此时主线程就和线程库建立了联系。
将新线程中返回到线程库中的void*指针变量中的返回值，通过这种联系放到主线程中指针变量中----也就是 *retval = ret。

这样，我们就可以成功的获取到新线程退出时的返回信息了，桥梁就是pthread_join()系统调用。

在学习进程等待的时候，我们不仅可以获得进程的退出信息，还能获得进程的退出信号，但是在线程退出时就没有获得线程退出信号，这是为什么呢？

因为信号是发给进程的，整个进程都会被退出，线程要退出信号也没有意义了。

而且pthread_join默认是能够等待成功的，并不考虑异常的问题，异常是进程要考虑的事，线程不用考虑。

1.4 线程取消(pthread_cancel结束)

Linux提供了线程结束的其它方式：线程取消，线程取消的接口：

参数：要取消的线程tid。
返回值：取消成功返回0，失败返回错误码。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        cout << name << ", pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        cout << "main thread, pid: " << getpid() << endl;
        sleep(1);
        if(cnt++ == 5)
        {
            break;
        }
    }

    pthread_cancel(tid);
    cout << "pthread cancel: " << tid << endl;

    int *ret = nullptr;
    pthread_join(tid, (void **)&ret); // 默认会阻塞等待新线程退出
    cout << "main quit ...: new thead quit : " << (long long)ret << endl;
    // linux下64位的，指针是8个字节，所以强转成long long 8个字节
    return 0;
}

可以看见，如果一个线程是被取消结束的，它的退出码就是-1。它其实是一个宏定义：#defin PTHREAD_CANCELED -1。

线程取消也是一种线程结束的方式，放在这里是为了能够通过线程等待看线程退出的退出码。

1.5 线程tid(pthread_self())

有没有看见退出得到的tid是一个很大的整数？这个整数实际上是一个地址。

我们还可以通过系统接口pthread_self在上面代码基础上打印自己的tid：

tid的值是一个地址。

我们知道，Linux内核中是没有线程概念的，也没有对应的TCB结构。

用户创建线程时使用的是POSIX线程库提供的接口。
线程库中会调用clone()系统调用接口，在内核中创建线程复用的PCB结构。
这些轻量级进程共用一个进程地址空间。

系统中肯定不只一个线程存在，大量的线程势必要管理起来，管理的方式同样是先描述再组织。既然Linux内核中只有轻量级进程的PCB，那么描述线程的TCB结构就只能存在于线程库中。

线程库中的TCB里，存放着线程的属性，这里的TCB被叫做用户级线程。

Linux线程方案：用户级线程和用户关心的线程属性都在线程库中，内核提供线程执行流的调度。

一个线程的所有属性描述是由两部组成的，一部分就是在pthread线程库中的用户级线程，另一部分就是Linux中的轻量级进程，它们俩的比例大约是1比1。

pthread线程库从磁盘上加载到内存中后，通过页表再将虚拟地址空间和物理地址映射起来。

线程库最终是映射在虚拟地址空间中的共享区中的mmap区域。

线程库是映射在共享区的，那么线程库所维护的TCB结构也就一定在共享区。

如上图所示，将映射到共享区的动态线程库放大。

线程库中存在多个TCB结构来描述线程。每个TCB的地址就是线程id。

线程tid的本质就是虚拟地址共享区中TCB结构体的地址。

线程的栈也在共享区中，而不在栈中。

虚拟地址空间中的栈是主线程的栈，共享区中动态库中的栈是新线程的栈。

所以说，线程的栈结构是相互独立的，因为存在于不同的TCB中（主线程除外）。

1.6 线程局部存储(__thread)

在共享区线程库中的TCB里，有一个线程的局部存储属性，它是一个介于全局变量和局部变量之间线程特有的属性。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

int g_val = 0;

void *threadRun(void *args)
{
    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        //cout << name << ", pid: " << getpid() << " tid: " << pthread_self() << endl;
        cout << name << " -> g_val: " << g_val++ << " &g_val: " << &g_val << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        cout << "main thread -> g_val: " << g_val++ << " &g_val: " << &g_val << endl;
        sleep(1);
        if(cnt++ == 5)
        {
            break;
        }
    }

    pthread_cancel(tid);
    cout << "pthread cancel: " << tid << endl;

    int *ret = nullptr;
    pthread_join(tid, (void **)&ret); // 默认会阻塞等待新线程退出
    cout << "main quit ...: new thead quit : " << (long long)ret << endl;
    // linux下64位的，指针是8个字节，所以强转成long long 8个字节
    return 0;
}

主线程和新线程打印的地址都是一样的，说明主线程和新线程共用一个全局变量。

那如果此时新线程仍然想用这个变量名，但是又不想影响其他线程，也就是让这个全局变量独立出来，该怎么办呢？此时就可以使用线程的局部存储属性了。

在全局变量g_val前面加__thread(两个下划线)，此时这个全局变量就具有了局部存储的属性。

主线程和新线程打印出来的全局变量的地址不相同了，说明此时用的并不是同一个全局变量。

而且新线程修改这个值，主线程不受影响。

将全局变量或者static变量添加 __thread，设置位线程局部存储。

此时每个线程的TCB中都会有一份该变量，相互独立，并不会互相影响。

1.7 线程分离(pthread_detach)

前面线程等待的时候，主线程就需要阻塞式等待线程的释放，主线程什么都干不了。能不能像进程那样不需要阻塞式等待(将SIGCHID信号设置为忽略)，等新线程结束以后自动释放呢?（尤其是不需要关心线程返回值的时候，join是一种负担。）

当然可以，将需要自动释放的线程设置成分离状态，将线程设置成分离状态意味着不需要主线程再关心该线程的状态，它会自动释放。

线程分离的接口：man pthread_detach：

参数 pthread_t thread：要分离的线程tid。
返回值 int：成功返回0，不成功返回错误码。

可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，但一般是线程自己分离自己:

#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

__thread int g_val = 0;

void *threadRun(void *args)
{
    pthread_detach(pthread_self());

    const string name = (char *)args;
    while (true)
    {
        //cout << name << ", pid: " << getpid() << " tid: " << pthread_self() << endl;
        cout << name << " -> g_val: " << g_val++ << " &g_val: " << &g_val << endl;
        sleep(5);
        pthread_exit((void*)777);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)"thread 1");
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        cout << "main thread -> g_val: " << g_val++ << " &g_val: " << &g_val << endl;
        sleep(1);
        if(cnt++ == 5)
        {
            break;
        }
    }

    int *ret = nullptr; // 新线程自己分离了，但是主线程非要等待呢？
    int n = pthread_join(tid, (void **)&ret); // 默认会阻塞等待新线程退出
    if(n == 0)
    {
        cout << "main quit ...: new thead quit : " << (long long)ret << endl;
    }
    else
    {
        cout << "n :" << n << "errstring: " << strerror(n) << endl;
    }
    // linux下64位的，指针是8个字节，所以强转成long long 8个字节
    return 0;
}

可以看到，此时主线程在进行线程等待的时候就会失败，而且返回错误码。

2. C++的多线程

C++也是可以多线程编程的，而且提供了多线程的库，而无论什么编程语言，什么库，在Linux系统上的多线程本质上都是对pthread原生线程库的封装。

简单演示一下：

Makefile：

mythread:mythread.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
	rm -f mythread

mythread.cc：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
using namespace std;

void fun()
{
    while(true)
    {
        cout << "hello new thread" << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    std::thread t(fun);
    std::thread t1(fun);
    std::thread t2(fun);
    std::thread t3(fun);
    std::thread t4(fun);

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

    t.join();
}

此时就发现运行不了了，改下Makefile：

mythread:mythread.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -f mythread

此时程序就能正常运行了，演示这个主要为了说明无论什么编程语言，什么库，在Linux系统上的多线程本质上都是对pthread原生线程库的封装。

3. 笔试选择题

1. 进程和线程是操作系统中最基本的概念,下列有关描述错误的是 ( )

A.进程是程序的一次执行,而线程可以理解为程序中运行的一个片段

B.由于线程没有独立的地址空间,同一个进程的一组线程可以共享访问大部分该进程资源,这些线程之间的通信很高效

C.线程之间的通信简单(共享了虚拟地址空间及页表，因此函数传参以及全局变量即可实现通信),而不同进程之间的通信更为复杂,通常需要调用内核实现

D.线程有独立的虚拟地址空间,但是拥有的资源相对进程来说,只有运行所必须的栈,寄存器等

2. 多线程中栈与堆的基本情况是 ()

A.多个线程共有一个栈，各自有一个堆

B.多个线程共有一个栈, 共有一个堆

C.多个线程各自有一个栈，共有一个堆

D.多个线程各自有一个栈, 各自有一个堆

3. 下面关于线程的叙述中，正确的是()

A.不论是系统支持线程还是用户级线程，其切换都需要内核的支持

B.线程是资源的分配单位，进程是调度和分配的单位

C.不管系统中是否有线程，进程都是拥有资源的独立单位

D.在引入线程的系统中，进程仍是资源分配和调度分派的基本单位

4. 下面有关线程的说法错误的是？[多选]

A.每个线程有自己独立的地址空间

B.耗时的操作使用线程，提高应用程序响应

C.多CPU系统中，使用线程提高CPU利用率

D.线程包含CPU现场，可以独立执行程序

5 .关于进程和线程，下列说法正确的是___[多选]

A.线程是资源分配和拥有的单位

B.线程和进程都可并发执行

C.在linux系统中，线程是处理器调度的基本单位

D.线程的粒度小于进程，占用资源更少，因此通常多线程比多进程并发性更高

E.不同的线程共享相同的栈空间

6. 下述有关Linux进程和线程的描述，正确的有？[多选]

A.在linux 中，进程比线程安全的原因是进程之间不会共享数据

B.进程有独立的地址空间，线程没有单独的地址空间（同一进程内的线程共享进程的地址空间）

C.进程——资源分配的最小单位，线程——程序执行的最小单位

D.进程和线程都有单独的地址空间

7. 关于多线程和多线程编程，以下哪些说法正确的（）[多选]

A.多进程之间的数据共享比多线程编程复杂

B.多线程的创建，切换，销毁速度快于多进程

C.对于大量的计算优先使用多进程

D.多线程没有内存隔离，单个线程崩溃会导致整个应用程序的退出

8. 有关进程和线程的说法，错误的是（）[多选]

A.一个程序至少有一个进程，一个进程至少有一个线程

B.操作系统的最小调度单位是进程

C.线程自己不拥有系统资源

D.一个线程可以创建和撤销另一个线程

9. 关于多线程和多进程编程，下面描述正确的是（） [多选]

A.多进程里，子进程可复制父进程的所有堆和栈的数据；而线程会与同进程的其他线程共享数据，但拥有自己的栈空间

B.线程因为有自己的独立栈空间且共享数据，所有执行的开销相对较大，同时不利于资源管理和保护

C.线程的通信速度更快，切换更快，因为他们在同一地址空间内，且还共享了很多其他的进程资源，比如页表指针这些是不需要切换的

D.线程使用公共变量/内存时需要使用同步机制，因为他们在同一地址空间内

E.因多进程里，每个子进程有自己的地址空间，因此相互之间通信时，线程不如进程灵活和方便

答案及解析

1. D

D错误，线程并没有独立的虚拟地址空间，只是在进程虚拟地址空间中拥有相对独立的一块空间

2. C

线程独有：栈，寄存器，信号屏蔽字，errno...等信息，因此各个线程各自有各自的栈区，但是堆区共用

3. C

A 用户态线程的切换在用户态实现，不需要内核支持

B 进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位

D 线程才是调度的基本单位

4. D

A错误线程只是在进程虚拟地址空间中拥有相对独立的一块空间，但是本质上说用的是同一个地址空间

B正确使用多线程可以更加充分利用cpu资源，使任务处理效率更高，进而提高程序响应

C正确对于多核心cpu来说，每个核心都有一套独立的寄存器用于进行程序处理，因此可以同时将多个执行流的信息加载到不同核心上并行运行，充分利用cpu资源提高处理效率

D错误线程包含cpu现场，但是线程只是进程中的一个执行流，执行的是程序中的一个片段代码，多个线程完整整体程序的运行

5. BCD

A 线程是调度的基本单位

E 每个线程在进程虚拟地址空间中会分配拥有相对独立的栈空间，而并不是共享栈空间，这样会导致运行时栈混乱

6. BC

A错误进程比线程安全的原因是每个进程有独立的虚拟地址空间，有自己独有的数据，具有独立性，不会数据共享这个太过宽泛与片面

D错误进程有独立的地址空间，但是同一个进程的线程之间共享同一个地址空间

7. ABD

A正确因为线程之间共享地址空间，因此通信更加方便，全局数据以及函数传参都可以实现，而进程间则需要系统调用来完成

B正确因为线程之间共享了进程中的大部分资源，因此共享的数据不需要重新创建或销毁，因此消耗上低于进程，反之也就是速度快于进程

C错误大量的计算使用多进程和多线程都可以实现并行/并发处理，而线程的资源消耗小于多进程，而稳定向较多进程有所不如，因此还要看具体更加细致的需求场景

D正确其实不仅仅是内存隔离的问题，还有就是异常针对的是整个进程，因此单个线程的崩溃会导致异常针对进程触发，最终退出整个进程。