Linux知识点 – Linux多线程（一）
文章目录
- Linux知识点 -- Linux多线程（一）
- 一、理解线程
- 1.从资源角度理解线程
- 2.执行流
- 3.多线程编程
- 4.线程的资源
- 5.线程切换的成本更低
- 6.线程的优缺点
- 7.线程异常
- 二、线程控制
- 1.clone函数
- 2.线程异常
- 3.线程等待
- 4.回调函数的返回值
- 5.线程退出
- 6.线程取消
- 7.线程id
- 8.线程局部存储
- 9.程序替换
- 10.分离线程
- 11.C++提供的线程库
一、理解线程
1.从资源角度理解线程
- Linux中的线程：
通过一定的技术手段，将当前进程的资源，以一定的方式划分给不同的task_strcut，这里的每一个task_struct可以称之为一个线程；这些线程对应的都是统一的地址空间和页表；
这是Linux系统下的特有的线程解决方案； - 从内核视角来看，进程是承担分配资源的基本实体，因为在OS看来，进程和线程的结构都是task_struct，而线程会划分进程的资源，因此进程是申请资源的最小单位；
- 线程是在进程内部执行，是OS调度的基本单位；
线程在进程的地址空间内运行，CPU其实并不关心执行流是进程还是线程，只关心PCB；
2.执行流
- 我们以前写过的代码都是内部只有一个执行流的代码，而多线程就是有多个执行流；
- 进程 = 执行流（至少一个） + 内核数据结构 + 进程对应的代码和数据
- task_struct就是进程内部的一个执行流，CPU其实不关心当前是进程还是线程，站在CPU的角度，看到的都是task_struct；
- 其实Linux系统下没有真正意义上的线程结构，Linux是用进程PCB来模拟线程结构的，因此Linux下的进程统一称为：=轻量级进程；Linux系统下，在CPU眼中，看到的PCB都要比传统的进程更加轻量化；
- Linux并不能直接给我们提供线程相关的接口，只能提供轻量级进程的接口；
- 线程的实现是在用户层实现了一套多线程方案，以库的方式提供给用户进行使用，pthread线程库就是Linux的原生线程库；
3.多线程编程
使用pthread线程库中的接口就可以实现Linux系统下的多线程；
- 参数：
thread：线程id
attr：线程属性（默认）
start_routine：函数指针，执行进程代码一部分时的入口函数
arg：传递给函数指针的参数，完成函数回调
返回值：成功返回0；失败返回错误码
makefile：
mythread:mythread.cpp
g++ -o $@ $^ -lpthread
.PHONY:clean
clean:
rm -f mythread
-lpthread参数的作用是引入线程库；
因为多线程的创建方法是库提供的，所以必须引入该库；
如果编译时不加-lpthread：
mythread.cpp
#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdio>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
using namespace std;
//pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void* threadRun(void* args)
{
const string name = (char*)args;
while(true)
{
cout << name << ", pid: " << getpid() << "\n" << endl;
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t tid[5];
char name[64];
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
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(3);
}
return 0;
}
上述代码在一个进程内创建了5个线程，每个线程都运行了threadRun函数，打印出他们的PID；
运行结果：
这些线程的pid都是一样的，证明线程在进程内部运行；
在用户层面上看到的只是一个进程；
可以使用ps -aL代码产看线程，-L就是查看轻量级进程的选项；
LWP是轻量级进程PID，这些是不一样的，第一个PID和LWP是一样的，就叫做主线程；
OS调度的时候，看的是LWP；
所有的线程都是使用进程的资源，一旦进程退出，所有线程都退出；
4.线程的资源
-
进程的多个线程共享同一地址空间，如果定义一个函数，各线程都可以调用；如果定义一个全局变量，各线程都可以访问；除此之外，各线程还共享以下资源和环境：
文件描述符；
每种信号的处理方式；
当前工作目录；
用户id和组id； -
线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据：
线程ID；
一组寄存器；
栈；
errno；
信号屏蔽字；
调度优先级；
（其中，栈和寄存器代表着线程的动态属性，寄存器就是线程的山下文）
5.线程切换的成本更低
- 切换线程不需要切换地址空间和页表；
- CPU内部有L1~L3的cache（缓存：对内存中的代码和数据，根据局部性原理，预读到CPU内部；）
如果进程切换，cache就立即失效，新进程过来，只能重新缓存；而线程切换不需要刷新缓存；
6.线程的优缺点
-
优点
-
缺点
7.线程异常
- 单个线程如果出现除0、野指针等问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃；
- 线程是进程的执行分支，线程出现异常，就类似进程出现异常，进而触发信号机制，进程终止，该进程内所有的线程也随之退出；
二、线程控制
1.clone函数
fork创建多进程，底层调用的就是clone函数；
创建多线程底层也需要调用clone函数；
2.线程异常
当一个线程触发除0错误时：
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
int a = 10;
a /= 0;
}
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
while (true)
{
cout << "main thread: " << " running ..." << endl;
sleep(1);
}
return 0;
}
运行结果：
一个线程异常退出，整个进程都会退出；
3.线程等待
线程在创建并执行的时候，主线程也是需要等待的，如果主线程不等待，就会引发类似于进程的僵尸问题，导致内存泄漏；
- pthread_join接口：线程等待
参数：
thread：线程id；
retval：void**类型，用来拿到线程执行的结果；
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
int i = 0;
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
if(i++ == 3)
break;
}
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
pthread_join(tid, nullptr);//默认会阻塞等待新线程退出
cout << "main thread wait done ... main quit\n ";
// while (true)
// {
// cout << "main thread: " << " running ..." << endl;
// sleep(1);
// }
return 0;
}
上面的代码，新线程运行完threadRoutine函数就会退出，而主线程pthread_join会默认阻塞等待新线程退出，然后回回收新线程资源；
监控脚本：
while :; do ps -aL | head -1 && ps -L | grep mythread; sleep 1; done
运行结果：
主线程会等待新线程退出后，清理完资源再退出；
4.回调函数的返回值
pthread_join的第二个参数是void**类型，是用来拿到线程执行结果的；
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
int i = 0;
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
if(i++ == 3)
break;
}
cout << "new thread quit" << endl;
return (void*)10;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
void* ret = nullptr;
pthread_join(tid, &ret);//默认会阻塞等待新线程退出
cout << "main thread wait done ... main quit\n ";
cout << "ret: " << (long long)ret << endl;
return 0;
}
在上面代码中：
- ret是指针变量，开辟了void*大小的空间，Linux是64位系统，地址为8字节；
- 指针是一个常量，指向一个地址，指针变量是存放指针数据的变量；
- 回调函数的返回值类型是void*；
- 果需要拿到一个void*类型的返回值，就需要使用void**类型；
- 这里返回的时候将10强转为void*类型，意味着10现在是一个指针，代表地址；在用void**类型拿到返回值之后，解引用一下就是10这个指针；
- 因为Linux地址是8字节的，因此拿到返回值后，使用的时候需要强转为long long类型
运行结果：
还可以拿到新线程在堆上申请空间后的返回结果：
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
int i = 0;
int* data = new int[3];//新线程申请空间
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
data[i] = i;
if(i++ == 3)
break;
}
cout << "new thread quit" << endl;
return (void*)data;//返回空间的地址
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (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 thread wait done ... main quit\n ";
for(int i = 0; i < 3; i++)
{
cout << ret[i] << endl;
}
return 0;
}
运行结果：
- 注：pthread_join函数不会拿到线程的退出码，这是因为一个线程出问题，整个进程都会退出；
5.线程退出
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
int i = 0;
int* data = new int[3];//新线程申请空间
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
data[i] = i;
if(i++ == 3)
break;
}
exit(10);
cout << "new thread quit" << endl;
return (void*)data;//返回空间的地址
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (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 thread wait done ... main quit\n ";
for(int i = 0; i < 3; i++)
{
cout << ret[i] << endl;
}
return 0;
}
运行结果：
可以看出，新线程调用了exit函数退出后，后面的代码都不运行了；
线程内部调用exit，整个进程都会退出；
- 线程退出使用pthread_exit接口：
参数：
__retval：void*类型的参数，相当于进程退出码，能够用pthread_join接口拿到；
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
int i = 0;
int* data = new int[3];//新线程申请空间
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
data[i] = i;
if(i++ == 3)
break;
}
cout << "new thread quit" << endl;
pthread_exit((void*)11);//退出码是11
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (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 thread wait done ... main quit\n ";
cout << "ret: " << (long long)ret << endl;
return 0;
}
运行结果：
6.线程取消
- pthread_cancle：
参数：
thread：线程id；
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << endl;
sleep(1);
}
cout << "new thread quit" << endl;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
int count = 0;
while (true)
{
cout << "main thread: "
<< " running ..." << endl;
sleep(1);
count++;
if (count == 5)
break;
}
pthread_cancel(tid);
cout << "pthread cancle: " << tid << endl;
int *ret = nullptr;
pthread_join(tid, (void **)&ret); // 默认会阻塞等待新线程退出
cout << "main thread wait done ... main quit\n ";
sleep(5);
return 0;
}
上面的代码：新线程一直运行，由主线程取消新线程；
运行结果：
- 注意：
（1）线程被取消，主线程等待的时候，退出码是-1；
（2） 取消进程的使用场景为：新线程已经跑了一段时间了，主线程想要取消它；
（3）不要使用新线程取消主线程，因为主线程承担调用join去回收新线程；
7.线程id
打印出线程id：
与LWP是不同的：
因为线程id的本质是一个地址；
我们目前使用的不是Linux自带的创建线程的接口，我们用的是pthread库中的接口；
线程运行需要有独立的栈区，保证栈区是每一个线程独占的方法是：由用户层提供栈区；
- pthread库内部会管理维护每个线程的私有数据；
- 线程的栈区是由库提供的，就在共享区；
- 因此线程id就代表该线程在库内部的属性数据的起始地址；
- 主线程用的是内核级的栈区，新线程用的是库提供的栈区，在共享区；
新线程的栈区底层就是用clone函数实现的，child_stack参数就是栈区的地址；
线程可以自己获取自己的id：
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
while (true)
{
cout << "new thread: " << (char *)args << " running ..." << pthread_self() << endl;
sleep(1);
}
cout << "new thread quit" << endl;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
while (true)
{
cout << "main thread: "
<< " running ..." << endl;
sleep(1);
}
int *ret = nullptr;
pthread_join(tid, (void **)&ret); // 默认会阻塞等待新线程退出
cout << "main thread wait done ... main quit\n ";
return 0;
}
运行结果：
8.线程局部存储
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
int g_val = 0;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
while (true)
{
cout << (char *)args << " : " << g_val << &g_val << endl;
sleep(1);
g_val++;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
while (true)
{
cout << "main thread: " << " : " << g_val << &g_val << endl;
sleep(1);
}
return 0;
}
上面的代码创建了一个全局变量，由主线程和新线程同时访问：
可以看到，所有进程是共享全局变量的；
- __thread：将全局变量变成每个线程私有：
在全局变量前面加上__thread修饰：
两个线程就访问的是各自的全局变量了，让每一个线程各自拥有一个全局变量；
9.程序替换
如果在线程的内部调用函数替换：
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
__thread int g_val = 0;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
sleep(5);
execl("/bin/ls", "ls");
while (true)
{
cout << (char *)args << " : " << g_val << " &: " << &g_val << endl;
sleep(1);
g_val++;
}
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
while (true)
{
cout << "main thread: " << " : " << g_val << " &: "<< &g_val << endl;
sleep(1);
//count++;
// if (count == 5)
// break;
}
return 0;
}
运行结果：
在线程内部进行程序替换，会导致整个进程都被替换，整个进程直接执行替换的程序；
10.分离线程
- 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，否组无法释放资源；
- 如果不关心线程的返回，join是一种负担，这个时候可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源，这就是线程分离；
- pthread_detach：线程分离接口；
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
__thread int g_val = 0;
// pthread函数的回调函数参数，传的是返回值是void*的函数指针，函数的参数也是void*
void *threadRoutine(void *args)
{
pthread_detach(pthread_self());
while (true)
{
cout << (char *)args << " : " << g_val << " &: " << &g_val << endl;
sleep(1);
g_val++;
// data[i] = i;
// if(i++ == 3)
break;
}
pthread_exit((void*)11);//退出码是11
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void *)"thread 1");
while (true)
{
cout << "main thread: " << " : " << g_val << " &: "<< &g_val << endl;
sleep(1);
break;
}
int n = pthread_join(tid, nullptr);
cout << "errstring: " << strerror(n) << endl;
return 0;
}
运行结果：
当线程分离后再等待新线程退出，就会报错；
11.C++提供的线程库
这样会报错：
加上pthread库的编译选项：
就可以运行了：
因为语言级别的线程库底层使用的是原生线程库，都是对原生线程库的封装；
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