线程概述

现代Linux系统主要使用的线程库是NPTL，在Linux中可以通过

getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

获取Linux线程库版本。谈到线程，就不得不提及线程模型

线程模型

本小节概念较多，采用问答式进行讲解，以帮助读者理解

什么是线程？

线程是程序中完成一个独立任务的完整执行序列，即一个可调度的实体。根据运行环境和调度者的身份，线程可分为内核线程和用户线程。

内核线程和用户线程的区别和联系？

内核线程运行在内核空间，由内核来调度。用户线程运行在用户空间，由线程库来调度。

当一个内核线程获得CPU的使用权时，它就会加载并运行一个用户线程，所以从某种角度上来说，内核线程可以看作用户线程运行的“容器”。

线程与进程的关系？

一个进程可以拥有多个线程，假设该进程的线程分为M个内核线程和N个用户线程，那么这些线程符合以下规律：

• M <= N
• 在一个系统的所有进程中,MN的比值固定

而且根据MN的比值(M:N)，可以划分出三种线程模型，其分别是：

• 完全在用户空间实现
• 完全由内核调度

双层调度

三种线程模型？

• 完全在用户空间实现：完全在用户空间实现的线程无需内核支持，内核也不知道这些用户空间的线程存在。由线程库负责所有线程的优先级，时间片调度。对于内核来说仍把整个进程当作最小单位来调度，不区分里面具体的线程。
  • 优点：创建和调度线程无需内核干预，不占据内核资源，速度快缺点：对于多处理器系统，一个进程的多个线程无法运行在不同的CPU上
• 完全由内核调度：完全由内核调度的模式将创建，调度的任务全部交给了内核，内核空间的线程库无具体任务。
  • 优缺点：与完全在用户空间实现的优缺点正好相反
• 双层调度：前两种实现模式的混合体，结合了前两种模式的优点，不会消耗太多的内核资源，切换线程速度较快，可以充分利用多处理器优势

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创建线程和结束线程

现在我们来学习线程管理的API，Linux中他们都定义在phtread.h头文件中

pthread_create

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

• 作用：创建一个线程
• 参数

• • thread:线程标识符
  • attr:设置新线程的属性
  • start_routine:指定线程运行的函数
  • arg:指定线程运行的函数的参数

• 返回值

• • 成功：0
  • 失败：错误码

pthread_exit

线程一旦创建好，内核就会调度内核线程执行start_coutine函数指针所指向的函数，执行完毕之后最好执行退出函数。

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

该函数能退出线程，并且执行完毕后不会返回，且不会执行失败。

pthread_join

一个进程内的线程都可以调用pthread_join来回收其他线程，类似于wait和waitpid调用

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

• 作用：回收其他线程
• 参数：

• • thread:目标线程的标识符
  • retval:目标线程返回的退出信息

• 返回值：

• • 成功：0
  • 失败：错误码

pthread_cancel

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

该函数的作用是异常终止线程，即取消线程。其中thread参数是目标线程标识符，成功返回0，失败返回错误码。

接收到取消请求的目标线程可以决定本线程是否允许被取消，以及如何取消。

#include<pthread.h>
int pthread_setcancelstate(int state, int* oldstate);
int pthread_setcanceltype(int type, int* oldtype);

• 作用：决定本线程是否可以被取消以及如何被取消
• 参数：

• • state:是否允许被取消状态 type:如何取消状态
  • oldstate:记录线程原来的是否允许被取消状态 oldtype：记录线程原来的如何取消状态

• 返回值：

• • 成功：0
  • 失败：错误码

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线程属性

pthread_attr_t结构体定义了一套完整的线程属性，如下：

#include<bits/pthreadtypes.h>
#define SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T 36typedef union{char size[SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T];long int align;
}pthread_attr_t;

Linux中各线程属性就定义在该字符数组中，线程库定义了一系列函数来操作pthread_attr_t类型的变量来获取和设置线程属性。

这部分内容实在太多，更多内容可以自行搜索，也可以把glibc git到本地目录查看

我在站内找到一个文章供参考线程属性pthread_attr_t简介_c语言中 pthread_attr_t-CSDN博客

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POSIX信号量

就如多进程的同步问题一样，线程也必须考虑同步问题。在进程中，我们介绍的是IPC信号量，而线程中往往采用的是POSIX信号量，这两组接口的语义完全相同

#include<semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);int sem_post(sem_t *sem);

• 作用:

• • sem_init:初始化一个未命名的信号量
  • sem_destroy:销毁信号量，释放其内核资源
  • sem_wait:函数以原子操作的方式将信号量值 - 1，若信号量值为0则阻塞
  • sem_trywait:函数以原子操作的方式将信号量-1，但是非阻塞，如果信号量为0则返回 -1
  • sem_post:函数以原子操作将信号量+1

• 参数:

• • sem:指向被操作的信号量
  • pshared:信号量的类型
  • value:信号量的初始值

• 返回值：

• • 成功：0
  • 失败：-1

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互斥锁

互斥锁用于保护关键代码段，其操作类似二进制信号量。当进入关键代码段时，我们要获得锁并对其枷锁，类似于二进制信号量的P操作；当离开关键代码段时，我们需要对互斥锁解锁，以唤醒其他等待互斥锁的线程，等价于二进制信号量的V操作。

基础API

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

• 作用：

• • pthread_mutex_init:初始化互斥锁

• • • pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：另一个初始化互斥锁的方式，整个宏会将互斥锁的各个字段都初始化为 0

• • pthread_mutex_destroy: 销毁互斥锁，释放其系统资源。若直接销毁一个加锁的互斥锁会导致不可预期的后果
  • pthread_mutex_lock:以原子操作给互斥锁枷锁，若已锁上会进入阻塞状态
  • pthread_mutex_trylock：同上，但不会进入阻塞状态，若已锁上会返回错误码EBUSY
  • pthread_mutex_unlock::以原子操作给互斥锁解锁

• 参数：

• • mutex:指向要操作的目标互斥锁
  • mutexattr:指定互斥锁的属性

• 返回值：

• • 成功：0
  • 失败：错误码

互斥锁属性

phtread_mutexattr_t结构体定义了一套完整的互斥锁属性，而线程库也提供了一系的函数来操作这些属性变量。一些主要函数：

#include <pthread.h>
/*初始化互斥锁*/
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
/*销毁互斥锁*/
int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);/*获取和设置互斥锁的pshared属性*/
int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *attr, int *pshared);
int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);/*获取和设置互斥锁的type属性*/
int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *attr, int *type);
int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);

互斥锁有pshared和type两种常用属性

pshared:

PTHREAD_PROCESS_SHARED:互斥锁可以被跨进程gongxiang

PTHREAD_PROCESS_PRIVATE:互斥锁只能被和锁的初始化线程隶属于一个进程的线程共享

type:

PTHREAD_MUTEX_NORMAL:普通锁，当一个线程对一个普通锁加锁后会形成等待队列，并在该锁解锁后按优先级获得它。这中锁容易引发问题：当线程对一个以及枷锁的普通锁再次加锁，将引发死锁；对一个已经被其他线程加锁的普通锁解锁，或者对一个已经解锁的普通锁再枷锁，将导致不可预期的后果

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK:检错锁，若一个线程对已经加锁的检错锁再次加锁，则返回EDEADLK，对一个已经被其他线程加锁的检错锁解锁，或者对一个已经解锁的检错锁再次解锁，将返回EPERM。

PHTREAD_MUTEX_RECURSIVE:嵌套锁，这种锁允许一个线程在释放锁之前对它多次加锁而不发生死锁。但其他线程要想获得该锁，必须等待前者执行相应次数的解锁操作。对一个已经被其他线程加锁的嵌套锁解锁，或者对一个已经解锁的嵌套锁再次解锁，则解锁操作返回EPERM

PHTREAD_MUTEX_DEFAULT:一般映射成上面三种锁之一，若不映射，一切不合理的操作都可能导致不可预期的后果。

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条件变量

互斥锁用于同步线程之间对共享数据的访问，而条件变量则时用于在线程之间同步共享数据的值。条件变量提供一种新的线程之间通知机制：当某个共享数据达到某个值时，唤醒等待这个共享数据的线程

#include <pthread.h>int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

• 作用：

• • pthread_cond_init,初始化条件变量
  • pthread_cond_destroy,销毁条件变量，释放其占用的资源。销毁一个正在等待的条件变量将失败并返回EBUSY
  • pthread_cond_broadcast,以广播的方式唤醒所有等待目标条件变量的线程
  • pthread_cond_signal，以信号的方式唤醒所有等待目标条件变量的线程
  • pthread_cond_wait，等待目标条件变量

• 参数：

• • cond:目标条件变量
  • attr：指定条件变量的属性
  • mutex:保护pthread_cond_wait操作的原子性

• 返回值：

• • 成功：0
  • 失败：错误码

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多线程环境

Linux中提供了上述的处理多线程编程的API，但在进行多线程编程的时候任然会出现许多问题。我们将这类问题中比较有代表性的问题汇总总结，并将其命名为多线程环境。

可重入函数：如果一个函数能被多个线程同时调用而不发生竞态条件，则我们称它是线程安全的，这个函数我们称其为可重入函数。Linux库函数中只有一小部分函数是不可重入的，比如inet_ntoa。具体不可重入库函数列表可以自行查询。Linux对很多不可重入库函数提供了可重入版本，可重入版本一般在函数名尾部加上_r。注意，在多线程程序中调用库函数，一定要用可重入版本，否则可能会导致不可预想的结果。

线程与进程：在Linux中，若一个多线程程序的某个线程调用了fork函数，那么新创建的子进程不会拥有和父进程一样数量的线程。子进程只会拥有一个执行线程的完整复制。同时，子进程会继承父进程中互斥锁的状态，这引发一个问题：子进程可能不清楚从父进程继承而来的互斥锁的具体状态。如：若互斥锁不是调用fork的那个线程锁住的，而是其他线程锁住的。那么子进程再对该互斥锁执行加锁就会导致死锁。对此，pthread提供了pthread_atfork函数来保证fork调用之后父进程和子进程都清楚锁的具体状态。该函数请读者自行搜索

线程和信号：我们知道，一个进程的所有线程共享该进程的信号，所以线程库会根据信号掩码决定将信号发给哪个具体的线程。若我们在每个线程中单独设置信号掩码，容易导致逻辑错误。又因为所有的信号共享信号处理函数，所以当一个线程设置了某个信号的处理函数后，其他所有线程的对该信号的处理函数都被修改，这并不是我们锁期望的。因此，在多线程程序中，我们通常定义一个专门的线程来处理所有的信号。