嵌入式Linux-线程的回收/取消/分离

news2024/11/15 8:31:33

1. 线程的回收

1.1 回收线程的概念

春节七天连假已经过完啦，也该回收一下我们放假的线程了！
听过很多回收旧手机、旧冰箱和旧彩电…，那么回收线程又是什么呢？
在父、子进程当中，父进程可通过 wait()函数（或其变体 waitpid()）阻塞等待子进程退出并获取其终止状态，回收子进程资源；而在线程当中，也需要如此，通过调用 pthread_join()函数来阻塞等待线程的终止，并获取线程的退出码，回收线程资源；pthread_join()函数原型如下所示：

#include <pthread.h>

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

参数含义：

参数含义
threadpthread_join()等待指定线程的终止，通过参数 thread（线程 ID）指定需要等待的线程
retval如果参数 retval 不为 NULL，则 pthread_join()将目标线程的退出状态（即目标线程通过pthread_exit()退出时指定的返回值或者在线程 start 函数中执行 return 语句对应的返回值）复制到retval 所指向的内存区域；如果目标线程被 pthread_cancel()取消，则将 PTHREAD_CANCELED 放在retval 中。如果对目标线程的终止状态不感兴趣，则可将参数 retval 设置为 NULL

调用pthread_join()函数将会以阻塞的形式等待指定的线程终止，如果该线程已经终止，则pthread_join()立刻返回。如果多个线程同时尝试调用pthread_join()等待指定线程的终止，那么结果将是不确定的。

若线程并未分离则必须使用pthread_join()来等待线程终止，回收线程资源；如果线程终止后，其它线程没有调用pthread_join()函数来回收该线程，那么该线程将变成僵尸线程，与僵尸进程的概念相类似；同样，僵尸线程除了浪费系统资源外，若僵尸线程积累过多，那么会导致应用程序无法创建新的线程（这部分如果看不懂的地方可以看一下我博客有关僵尸进程的介绍）。

当然，如果进程中存在着僵尸线程并未得到回收，当进程终止之后，进程会被其父进程回收，所以僵尸线程同样也会被回收。

1.2 回收进程与回收线程的区别

我们来比对一下，有关进程回收和线程回收的区别吧，主要也是探讨关于pthread_join()执行的功能类似于针对进程的waitpid()调用：

  1. 线程之间关系是对等的。进程中的任意线程均可调用pthread_join()函数来等待另一个线程的终止。譬如，如果线程A创建了线程B，线程B再创建线程C，那么线程A可以调用pthread_join()等待线程C的终止，线程C也可以调用pthread_join()等待线程A的终止；这与进程间层次关系不同，父进程如果使用fork()创建了子进程，那么它也是唯一能够对子进程调用wait()的进程，线程之间不存在这样的关系。
  2. 不能以非阻塞的方式调用pthread_join()。对于进程，调用waitpid()既可以实现阻塞方式等待、也可以实现非阻塞方式等待。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

static void *new_thread_start(void *arg)
{
	 printf("新线程 start\n");
	 sleep(2);
	 printf("新线程 end\n");
	 pthread_exit((void *)10);
}

int main(void)
{
	 pthread_t tid;
	 void *tret;
	 int ret;
	 ret = pthread_create(&tid, NULL, new_thread_start, NULL);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 ret = pthread_join(tid, &tret);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 printf("新线程终止, code=%ld\n", (long)tret);
	 exit(0);
}

主线程调用 pthread_create()创建新线程之后，新线程执行 new_thread_start()函数，而在主线程中调用pthread_join()阻塞等待新线程终止，新线程终止后，pthread_join()返回，将目标线程的退出码保存在*tret 所指向的内存中。测试结果如下：
在这里插入图片描述

2. 取消线程

2.1 取消线程的概念

在通常情况下，进程中的多个线程会并发执行，每个线程各司其职，直到线程的任务完成之后，该线程中会调用pthread_exit()退出，或在线程start函数执行return语句退出。
有时候，在程序设计需求当中，需要向一个线程发送一个请求，要求它立刻退出，我们把这种操作称为取消线程，也就是向指定的线程发送一个请求，要求其立刻终止、退出。譬如，一组线程正在执行一个运算，一旦某个线程检测到错误发生，需要其它线程退出，取消线程这项功能就派上用场了。

2.2 取消线程函数

通过调用pthread_cancel()库函数向一个指定的线程发送取消请求，其函数原型如下所示：

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread);

发出取消请求之后，函数 pthread_cancel()立即返回，不会等待目标线程的退出。默认情况下，目标线程也会立刻退出，其行为表现为如同调用了参数为 PTHREAD_CANCELED（其实就是(void *)-1）的pthread_exit()函数，但是，线程可以设置自己不被取消或者控制，所以pthread_cancel()并不会等待线程终止，仅仅只是提出请求。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
static void *new_thread_start(void *arg)
{
 	printf("新线程--running\n");
 	for ( ; ; )
	sleep(1);
	return (void *)0;
}

int main(void)
{
	 pthread_t tid;
	 void *tret;
	 int ret;
	 /* 创建新线程 */
	 ret = pthread_create(&tid, NULL, new_thread_start, NULL);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 sleep(1);
	 /* 向新线程发送取消请求 */
	 ret = pthread_cancel(tid);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_cancel error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 /* 等待新线程终止 */
	 ret = pthread_join(tid, &tret);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 printf("新线程终止, code=%ld\n", (long)tret);
	 exit(0);
}

解读程序: 主线程创建新线程，新线程 new_thread_start()函数直接运行 for 死循环；主线程休眠一段时间后，调用pthread_cancel()向新线程发送取消请求，接着再调用 pthread_join()等待新线程终止、获取其终止状态，将线程退出码打印出来。测试结果如下：
在这里插入图片描述
由打印结果可知，当主线程发送取消请求之后，新线程便退出了，而且退出码为-1，也就是PTHREAD_CANCELED.

2.3 取消状态以及类型

默认情况下，线程是响应其它线程发送过来的取消请求的，响应请求然后退出线程。当然，线程可以选择不被取消或者控制如何被取消，通过**pthread_setcancelstate()和pthread_setcanceltype()**来设置线程的取消性状态和类型。

#include <pthread.h>

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);

使用这些函数需要包含头文件<pthread.h>，pthread_setcancelstate()函数会将调用线程的取消性状态设置为参数state中给定的值，并将线程之前的取消性状态保存在参数oldstate指向的缓冲区中，如果对之前的状态不感兴趣，Linux允许将参数oldstate设置为NULL；pthread_setcancelstate()调用成功将返回0，失败返回非0值的错误码。

pthread_setcancelstate()函数执行的设置取消性状态和获取旧状态操作，这两步是一个原子操作。参数state必须是以下值之一：

  1. PTHREAD_CANCEL_ENABLE：线程可以取消，这是新创建的线程取消性状态的默认值，所以新建线程以及主线程默认都是可以取消的。
  2. PTHREAD_CANCEL_DISABLE：线程不可被取消，如果此类线程接收到取消请求，则会将请求挂起，直至线程的取消性状态变为PTHREAD_CANCEL_ENABLE。

在新线程的new_thread_start()函数中调用pthread_setcancelstate()函数将线程的取消性状态设置为PTHREAD_CANCEL_DISABLE，我们来试试，此时主线程还能不能取消新线程，示例代码如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
static void *new_thread_start(void *arg)
{
	 /* 设置为不可被取消 */
	 pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);
	 for ( ; ; ) 
	 {
		 printf("新线程--running\n");
		 sleep(2);
	 }
	 return (void *)0;
}
int main(void)
{
	 pthread_t tid;
	 void *tret;
	 int ret;
	 /* 创建新线程 */
	 ret = pthread_create(&tid, NULL, new_thread_start, NULL);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 sleep(1);
	 /* 向新线程发送取消请求 */
	 ret = pthread_cancel(tid);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_cancel error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 /* 等待新线程终止 */
	 ret = pthread_join(tid, &tret);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 printf("新线程终止, code=%ld\n", (long)tret);
	 exit(0);
}

在这里插入图片描述
测试结果确实如此，将一直重复打印"新线程–running"，因为新线程是一个死循环（测试完成按 Ctrl+C退出）。

在介绍一下pthread_setcanceltype()函数，
如果线程的取消性状态为PTHREAD_CANCEL_ENABLE，那么对取消请求的处理则取决于线程的取消性类型，该类型可以通过调用pthread_setcanceltype()函数来设置，它的参数type指定了需要设置的类型，而线程之前的取消性类型则会保存在参数oldtype所指向的缓冲区中，如果对之前的类型不敢兴趣，Linux 下允许将参数oldtype设置为NULL。同样pthread_setcanceltype()函数调用成功将返回0，失败返回非0值的错误码。

pthread_setcanceltype()函数执行的设置取消性类型和获取旧类型操作，这两步是一个原子操作。参数type必须是以下值之一：

  1. PTHREAD_CANCEL_DEFERRED：取消请求到来时，线程还是继续运行，取消请求被挂起，直到线程到达某个取消点（cancellation point）为止，这是所有新建线程包括主线程默认的取消性类型。
  2. PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS：可能会在任何时间点（也许是立即取消，但不一定）取消线程，这种取消性类型应用场景很少，不再介绍！

当某个线程调用fork()创建子进程时，子进程会继承调用线程的取消性状态和取消性类型，而当某线程调用exec函数时，会将新程序主线程的取消性状态和类型重置为默认值，也就是PTHREAD_CANCEL_ENABLE和PTHREAD_CANCEL_DEFERRED。

2.4 取消点

若将线程的取消性类型设置为PTHREAD_CANCEL_DEFERRED时（线程可以取消状态下），收到其它线程发送过来的取消请求时，仅当线程抵达某个取消点时，取消请求才会起作用。

那什么是取消点呢？所谓取消点其实就是一系列函数，当执行到这些函数的时候，才会真正响应取消请求，这些函数就是取消点；在没有出现取消点时，取消请求是无法得到处理的，究其原因在于系统认为，但没有到达取消点时，线程此时正在执行的工作是不能被停止的，正在执行关键代码，此时终止线程将可能会导致出现意想不到的异常发生。

取消点函数包括哪些呢？下表给大家简单地列出了一些：
在这里插入图片描述

除了表 中所列函数之外，还有大量的函数，系统实现可以将其作为取消点，这里便不再一一列举出来了，大家也可以通过 man 手册进行查询，命令为"man 7 pthreads"：

man 7 pthreads

在这里插入图片描述
线程在调用这些函数时，如果收到了取消请求，那么线程便会遭到取消；除了这些作为取消点的函数之外，不得将任何其它函数视为取消点（亦即，调用这些函数不会招致取消）。

2.5 线程可取消性的检测

假设线程执行的是一个不含取消点的循环（譬如 for 循环、while 循环），那么这时线程永远也不会响应取消请求，也就意味着除了线程自己主动退出，其它线程将无法通过向它发送取消请求而终止它.

在实际应用程序当中，确实会遇到这种情况，线程最终运行在一个循环当中，该循环体内执行的函数不存在任何一个取消点，但实际项目需求是：该线程必须可以被其它线程通过发送取消请求的方式终止，那这个时候怎么办？此时可以使用 pthread_testcancel()函数，该函数目的很简单，就是产生一个取消点，线程如果已有处于挂起状态的取消请求，那么只要调用该函数，线程就会随之终止。其函数原型如下所示：

#include <pthread.h>

void pthread_testcancel(void);

下面我们通过一个小demo看看如何吧：

  1. 主线程创建一个新的进程，新进程的取消性状态和类型置为默认，新进程最终执行的是一个不含取消点的循环；主线程向新线程发送取消请求，示例代码如下所示：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
static void *new_thread_start(void *arg)
{
	 printf("新线程--start run\n");
	 for ( ; ; ) {
	 }
	 return (void *)0;
}

int main(void)
{
	 pthread_t tid;
	 void *tret;
	 int ret;
	 /* 创建新线程 */
	 ret = pthread_create(&tid, NULL, new_thread_start, NULL);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);	
	 }
	 sleep(1);
	 /* 向新线程发送取消请求 */
	 ret = pthread_cancel(tid);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_cancel error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 /* 等待新线程终止 */
	 ret = pthread_join(tid, &tret);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 printf("新线程终止, code=%ld\n", (long)tret);
	 exit(0);
}

解读代码：
新线程的 new_thread_start()函数中是一个 for 死循环，没有执行任何函数，所以是一个没有取消点的循环体，主线程调用 pthread_cancel()是无法将其终止的；
在这里插入图片描述

  1. 在new_thread_start 函数的 for 循环体中执行 pthread_testcancel()函数，接下来我们再试试：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
static void *new_thread_start(void *arg)
{
	 printf("新线程--start run\n");
	 for ( ; ; ) {
	 pthread_testcancel();
	 }
 	 return (void *)0;
}
int main(void)
{
	 pthread_t tid;
	 void *tret;
	 int ret;
	 /* 创建新线程 */
	 ret = pthread_create(&tid, NULL, new_thread_start, NULL);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 sleep(1);
	 /* 向新线程发送取消请求 */
	 ret = pthread_cancel(tid);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_cancel error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 /* 等待新线程终止 */
	 ret = pthread_join(tid, &tret);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 printf("新线程终止, code=%ld\n", (long)tret);
	  exit(0);
}

如果 pthreadtestcancel()可以产生取消点，那么主线程便可以终止新线程，测试结果如下：
在这里插入图片描述
从这里我们能清晰的反应得到，新线程是有取消点可以正常退出的！！！

3. 分离线程

3.1 如何分离线程

默认情况下，当线程终止时，其它线程可以通过调用pthread_join()获取其返回状态、回收线程资源，有时，程序员并不关心♥线程的返回状态，只是希望系统在线程终止时能够自动回收线程资源并将其移除。在这种情况下，可以调用pthread_detach()将指定线程进行分离，也就是分离线程，pthread_detach()函数原型如下所示：

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t thread);

使用该函数需要包含头文件<pthread.h>，参数 thread 指定需要分离的线程，函数 pthread_detach()调用成功将返回 0；失败将返回一个错误码。

一个线程既可以将另一个线程分离，同时也可以将自己分离，譬如：

pthread_detach(pthread_self());

tips: 一旦线程处于分离状态，就不能再使用 pthread_join()来获取其终止状态，此过程是不可逆的，一旦处于分离状态之后便不能再恢复到之前的状态。处于分离状态的线程，当其终止后，能够自动回收线程资源。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
static void *new_thread_start(void *arg)
{
	 int ret;
	 /* 自行分离 */
	 ret = pthread_detach(pthread_self());
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_detach error: %s\n", strerror(ret));
		 return NULL;
 	 }
	 printf("新线程 start\n");
	 sleep(2); //休眠 2 秒钟
	 printf("新线程 end\n");
	 pthread_exit(NULL);
}
int main(void)
{
	 pthread_t tid;
	 int ret;
	 /* 创建新线程 */
	 ret = pthread_create(&tid, NULL, new_thread_start, NULL);
	 if (ret) 
	 {
		 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
		 exit(-1);
	 }
	 sleep(1); //休眠 1 秒钟
	 /* 等待新线程终止 */
	 ret = pthread_join(tid, NULL);
	 if (ret)
	 fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
	 pthread_exit(NULL);
}

代码解析：主线程创建新的线程之后，休眠1秒钟，调用pthread_join()等待新线程终止；新线程调用pthread_detach(pthread_self())将自己分离，休眠2秒钟之后pthread_exit()退出线程；主线程休眠1秒钟是能够确保调用pthread_join()函数时新线程已经将自己分离了，所以按照上面的介绍可知，此时主线程调用pthread_join()必然会失败，测试结果如下：

在这里插入图片描述
打印结果正如我们所料，主线程调用pthread_join()确实会出错，错误提示为“Invalid argument”。

本文参考正点原子的嵌入式LinuxC应用编程。

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