在这个浮躁的时代
只有自律的人才能脱颖而出
-- 《觉醒年代》
从零开始认识多线程 --- 线程控制
- 1 知识回顾
- 2 线程控制
- 2.1 线程创建
- 2.2 线程等待
- 2.3 线程终止
- 3 测试运行
- 3.1 小试牛刀 --- 创建线程
- 3.2 探幽析微 --- 理解线程参数
- 3.3 小有心得 --- 探索线程返回
- 3.4 求索无厌 --- 实现多线程
- 3.5 返璞归真 --- 线程终止与线程分离
- 4 语言层的线程封装
- Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
- 下一篇文章见！！！
1 知识回顾
上一篇文章中，我们通过对地址空间的再次学习来认识了线程：
- 物理空间不是连续的，是4kb的内存块（页框）组成的。
- 页表映射是通过虚拟地址来索引物理地址：
- 虚拟地址共32位：前10位用来索引页目录中的元素（页表），中间10位用来索引页表中的对应的元素（页框），后12位用来索引页框中的每一个字节
- 虚拟地址本质是一种资源，可以进行分配！对一个进程的数据进行分配执行，就是多线程的本质！
- Linux中的线程是通过进程模拟的（并没有单独设计出一个单独的线程模块）
- 进程中可以有多个进程（之前学习的是进程的特殊情况），他们共用一个地址空间。进程从内核来看，是承担分配系统资源的基本实体！
- Linux中的执行流是线程 ，CPU看到的执行流 <= 进程
进程与线程需要注意：
- 线程的调度成本比进程低很多，是由于硬件原因：CPU中存在一个cache会储存热点数据（进程相关数据） ，要访问数据时，会先在cache中寻找，如果命中直接访问，反之进行置换。切换进程需要更换热点数据，切换线程不需要切换。
- 线程的健壮性很差！一个线程出错会导致整个线程退出，而不同进程是独立的互不影响！进程和线程各有特长！
- 线程的本质是代码块！只使用函数的对应代码，即拿页表的一部分来执行！！！
- 线程的使用场景多为计算密集型和IO密集型，可以充分使用CPU的并行能力！
同一个进程中的线程虽然共享一个地址空间，但是还是有独属于自己的一些东西：
- 一组寄存器：在硬件中储存上下文数据，保证线程可以动态并行运行！
- 栈空间：线程中可以处理自己的临时变量，临时变量储存在自己独立的栈区，可以独立完成任务。
- 线程ID
- errno信号屏蔽字
- 调度优先级
复习的差不多了，我们了解了线程的基本概念，接下来就要开始学习如何管理线程 — 线程控制。根据我们之前学习的进程控制，大概可以估计一下线程控制的基本接口：线程创建 ， 线程等待 ， 线程退出…
2 线程控制
2.1 线程创建
万事开头难，我们先来看线程怎么创建：
PTHREAD_CREATE(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_CREATE(3)
NAME
pthread_create - create a new thread
SYNOPSIS
#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.
pthread_create是创建线程的接口，里面有4个参数:
- pthread_t *thread :输出型参数，线程ID。
- const pthread_attr_t *attr ：线程属性（优先级，上下文…），默认传入nullptr
- void *(*start_routine) (void *) : 函数指针，线程需要执行的函数地址。
- void arg：想要传入到线程的信息，可以传入int，string地址或者传入一个类对象的地址。
再来看返回值：
RETURN VALUE
On success, pthread_create() returns 0; on error, it returns an error number, and the contents of *thread are undefined.
pthread系列的函数的返回值是都是一样的：成功返回0，反之返回错误码！
2.2 线程等待
学习进程的时候，如果进程创建出来了，但是不进行等待，就拿不到退出信息，还会造成僵尸进程，进而造成内存泄漏。同样线程也需要进行等待。由主线程来等待新线程
PTHREAD_JOIN(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_JOIN(3)
NAME
pthread_join - join with a terminated thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
Compile and link with -pthread.
这个函数里面有2个参数：
- pthread_t thread：需要进行等待的线程ID
- void **retval: 获取的返回信息
2.3 线程终止
牢记：main线程结束那么进程结束，所以一定要保证main线程最后退出。
- 最简单的线程终止是线程函数返回
return！ - 切记不要使用
exit()，我们在进程控制中学习过exit()可以退出进程，但是要注意线程是在一个进程中讨论的，新线程如果使用了exit()那整个进程就退出了！exit()不可以用来终止线程 - 操作系统也给我们提供了线程终止的接口：
PTHREAD_CANCEL(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_CANCEL(3)
NAME
pthread_cancel - send a cancellation request to a thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
Compile and link with -pthread.
通过这个参数，可以看出来这是个很简单的接口，终止对应tid的线程。只要线程存在，并且知道tid , 就可以终止线程（可以自己终止自己）。线程终止的返回值是一个整数！
3 测试运行
3.1 小试牛刀 — 创建线程
我们进行一个简单的测试，来使用这两个接口：
注意，使用线程库的接口需要动态链接g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <string>
// 测试 1
void *ThreadRun(void *args)
{
std::cout << "name: " << *(std::string*)args << " is running"<< std::endl;
sleep(1);
std::string* ret = new std::string(*(std::string*)args + "finish...") ;
return (void*)ret;
}
int main()
{
// 创建一个新线程
// int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
pthread_t tid;
std::string name = "thread - 1";
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, &name);
//进程等待
//int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
std::string *ret = nullptr;
pthread_join(tid, (void**)&ret);
std::cout << *(std::string*)ret << std::endl;
return 0;
}
编译运行一下，我们可以看到：
新线程完成了任务！
问题 1 ： main线程和new线程谁先运行？ 不确定，和进程的调度方式一致，由具体情况来定。
问题 2 ： 我们期望谁先退出？肯定是main线程，所以就有join来进行等待，阻塞等待线程退出。如果不进行join,就会造成类似僵尸进程的情况（内存泄漏）！
问题 3 ：tid是什么样子的，我们可不可以看一看？当然可以：
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
这样就可以打印出来tid的十六进制：
这数字好像和lwp不一致啊
为什么tid这么大？其实tid是一个虚拟地址!!!
3.2 探幽析微 — 理解线程参数
问题 4 ： 全面看待线程函数传参。上面我们的程序传入了name变量的地址，让线程获取了对应的名字。如果想要传入多个变量或方法，可以传入类对象的地址:
class ThreadData
{
public:
std::string name;
int num;
};
vvoid *ThreadRun(void *args)
{
ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
std::cout << "name: " << td->name << " is running" << std::endl;
std::cout << "num: " << td->num << std::endl;
sleep(1);
std::string *ret = new std::string(*(std::string *)args + "finish...");
return (void *)ret;
}
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
int main()
{
// 创建一个新线程
// int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
pthread_t tid;
// std::string name = "thread - 1";
ThreadData td;
td.name = "thread - 1";
td.num = 100;
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, &td);
// 查看tid
sleep(1);
std::cout << "tid: " << ToHex(tid) << std::endl;
// 进程等待
// int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
std::string *ret = nullptr;
pthread_join(tid, (void **)&ret);
std::cout << *(std::string *)ret << std::endl;
return 0;
}
这样就可以传入多个变量：
所以这个void*的变量是可以传入任何地址的，一定要想到可以传入类对象。但是刚写的有些问题，我们上面的写法是在主线程的栈区创建变量，让新线程读取主线程的栈，不太合适（破坏了一定独立性）！如果多个变量都传入了这个变量，那么修改一个就会造成所以的线程中的数据都发生改变！！！这可不行！推荐写：
ThreadData* td = new ThreadData();
td->name = "thread - 1";
td->num = "100";
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, td);
这是在堆区进行开辟空间，然后将该空间交给新线程来管理！就不会出现这样的问题了！以后我们都使用这种方式来传递参数！！！
3.3 小有心得 — 探索线程返回
问题 5 ：线程的返回值输出型参数void** retval,他需要我们传递一个void*变量，然后返回值就交给了void*变量！这个过程就是对一个指针进行改变其指向的内容的操作。
下面是一个让新线程进行加法工作的程序
void *ThreadRun(void *args)
{
ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
std::cout << "name: " << td->name << " is running" << std::endl;
std::cout << "num: " << td->num << std::endl;
sleep(1);
delete td;
//返回值
std::string *ret = new std::string(*(std::string *)args + "finish...");
return (void *)ret;
}
这就将void*变量返回给&（void* ret）变量,让ret指向对应的堆区。这就类似int a放入int * 中就可以改变a的值
问题 5 ：如何全面的看待线程的返回。我们知道如果一个线程出现问题，整个进程就会退出。所以线程的返回只有正常的返回，没有异常的返回，出现异常整个进程会直接退出，根本没有返回错误信息的机会！和传入参数音参数一样，我们也可以返回一个类对象来传递多个变量。
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <string>
// 测试 1
class ThreadData
{
public:
std::string name;
int num1;
int num2;
};
class ThreadResult
{
public:
std::string name;
int num1;
int num2;
int ans;
};
void *ThreadRun(void *args)
{
ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
std::cout << "name: " << td->name << " is running" << std::endl;
std::cout << "num1: " << td->num1 << " num2: " << td->num2 << std::endl;
sleep(1);
ThreadResult *ret = new ThreadResult();
ret->name = td->name;
ret->num1 = td->num1;
ret->num2 = td->num2;
ret->ans = td->num2 + td->num1;
delete td;
return (void *)ret;
}
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
int main()
{
// 创建一个新线程
// int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
pthread_t tid;
// std::string name = "thread - 1";
ThreadData *td = new ThreadData();
td->name = "thread - 1";
td->num1 = 100;
td->num2 = 88;
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, td);
// 查看tid
sleep(1);
std::cout << "tid: " << ToHex(tid) << std::endl;
// 进程等待
// int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
ThreadResult *ret = nullptr;
pthread_join(tid, (void **)&ret);
std::cout << ret->num1 << " + " << ret->num2 << " = " << ret->ans << std::endl;
return 0;
}
来看返回值：
我们成功获取了新线程中设置的返回值！非常nice!
3.4 求索无厌 — 实现多线程
问题 6 ：上面只是创建了单独的一个线程，那如何创建多线程呢？
可以通过维护一个vector数组来对tid进行统一管理
void *ThreadRun(void *args)
{
std::string name = static_cast<const char *>(args);
while (true)
{
std::cout << name << "is running ..." << std::endl;
sleep(1);
}
return (void *)0;
}
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;
int main()
{
std::vector<pthread_t> tids;
for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 1. 线程ID
pthread_t tid;
// 2. 线程名字
char* name = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1);
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name);
//保存所有线程的ID
tids.push_back(tid) ;
}
//join
sleep(100);
return 0;
}
这样就创建出了10个新线程，但是我们看这些新线程的的名字好像不太对：
怎么不是1 - 10???完全是乱的！因为线程谁先被调度运行不确定！而我们传入的名字是在主线程的栈区域，可能在新线程还没有调度，name就已经在主线程中被覆盖了!解决办法很简单，我们创建在堆区就可以了
for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 1. 线程ID
pthread_t tid;
// 2. 线程名字
//在堆区进行创建。防止被重写覆盖
char* name = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1);
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name);
pids.push_back(tid) ;
}
这样就整齐多了！
接下来就要进行等待：
我们已经通过vector容器来维护了创建所有线程的tid,所以只需要对所有的tid进行join就好了！
void *ThreadRun(void *args)
{
std::string name = static_cast<const char *>(args);
while (true)
{
std::cout << name << "is running ..." << std::endl;
sleep(3);
break;
}
return nullptr;
}
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;
int main()
{
std::vector<pthread_t> tids;
for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 1. 线程ID
pthread_t tid;
// 2. 线程名字
char* name = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1);
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name);
//保存所有线程的ID
tids.push_back(tid) ;
}
//join
for (auto tid : tids)
{
pthread_join(tid , nullptr);
std::cout << ToHex(tid) << " quit..." << std::endl;
}
}
来看运行效果：
非常好！！！
我们也可以通过返回值来获取线程的名字：
for (auto tid : tids)
{
void* name = nullptr;
pthread_join(tid , &name);
std::cout << (const char*)name<< " quit..." << std::endl;
delete (const char*)name;
}
非常优雅！
3.5 返璞归真 — 线程终止与线程分离
问题 7 ：线程终止的返回值
我们来看看通过线程终止接口终止的线程返回值是什么样的：
void *ThreadRun(void *args)
{
std::string name = static_cast<const char *>(args);
while (true)
{
std::cout << name << "is running ..." << std::endl;
sleep(3);
//break;
}
return args;
}
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;
int main()
{
std::vector<pthread_t> tids;
for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 1. 线程ID
pthread_t tid;
// 2. 线程名字
char* name = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1);
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name);
//保存所有线程的ID
tids.push_back(tid) ;
}
//join
sleep(3);
for (auto tid : tids)
{
pthread_cancel(tid);
std::cout << " cancel: " << ToHex(tid) << std::endl;
void* ret= nullptr;
pthread_join(tid , &ret);
std::cout << (long long int)ret << " quit..." << std::endl;
}
return 0;
}
可以看的，被phread_cancel()终止的线程的返回值是 -1!这个 -1其实是宏定义#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。线程终止的方式有三种：
- 线程函数 return
- pthread_cancel 新线程退出结果为-1
- pthread_exit
问题 8 ：可不可以不通过join线程，让他执行完就退出呢，当然可以！
这里需要线程分离接口：
PTHREAD_DETACH(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_DETACH(3)
NAME
pthread_detach - detach a thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);
Compile and link with -pthread.
通过这个接口，分离出去的线程依然属于进程内部，但不需要被等待了。举个例子，之前再讲线程与进程的关系时，我们把不同的线程比作家庭成员，做好自己分内的事情，既可以让家庭幸福，即进程成功运行。而进程分离就好比你长大了，自己搬出去住，不受父母管了，但是依旧属于这个家庭。这种状态就是线程分离。
当然，如果想要将自己分离出去，就要知道自己的tid,这里需要接口：
PTHREAD_SELF(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_SELF(3)
NAME
pthread_self - obtain ID of the calling thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
Compile and link with -pthread.
这个接口会返回调用它的线程的ID。如同getpid()
void *ThreadRun(void *args)
{
// 线程分离
pthread_detach(pthread_self());
std::string name = static_cast<const char *>(args);
while (true)
{
std::cout << name << "is running ..." << std::endl;
sleep(3);
break;
}
return args;
}
std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;
int main()
{
std::vector<pthread_t> tids;
for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 1. 线程ID
pthread_t tid;
// 2. 线程名字
char *name = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1);
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name);
// 保存所有线程的ID
tids.push_back(tid);
}
sleep(3);
for (auto tid : tids)
{
pthread_cancel(tid);
std::cout << " cancel: " << ToHex(tid) << std::endl;
void *ret = nullptr;
int n = pthread_join(tid, &ret);
std::cout << (long long int)ret << " quit... , n: " << n << std::endl;
}
return 0;
}
可以看到，如果我们等待一个已经分离出去的线程，会得到22号错误信息！所以不能 join 一个分离的线程！
所以主线程就可以不管新线程，可以继续做自己的事情，不用阻塞在join!
但是注意：线程分离了，依然是同一个进程！一个线程出异常，会导致整个进程退出！
上面是自己分离自己。也可以通过主线程分离新进程：
for (auto tid : tids)
{
pthread_detach(tid);//主线程分离新线程
}
4 语言层的线程封装
上面讲的是Linux系统提供给我们的系统调用，帮助我们可以进行线程控制，也叫做原生线程库。我们熟悉了底层的原生线程库，就会方便很多。
我们来看C++11中的线程
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <vector>
#include <string>
#include <thread>
void threadrun( int num)
{
while (num)
{
std::cout << " num: " << num << std::endl;
}
}
// C++中线程库
int main()
{
std::thread mythread(threadrun, 10);
while (true)
{
std::cout << "main thread..." << std::endl;
sleep(1);
}
mythread.join();
return 0;
}
注意，虽然是使用的语言层的线程库，但是依旧要连接thread动态库,因为语言层线程库的本质是对原生线程库接口的封装！！！无论是java还是python都要与原生线程库产生联系！
![[算法] 优选算法(五):二分查找(上)](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/f0c5b1e3dbe044769fc9fc5c38accbae.jpeg#pic_center)
