【linux】系统编程-5-线程

目录

• 前言
• 7. 线程
  • 7.1 概念
  • 7.2 创建线程
    • 7.2.1 pthread_create()
  • 7.3 设置线程属性
    • 7.3.1 pthread_attr_init()
    • 7.3.2 销毁一个线程属性对象
    • 7.3.3 线程的分离状态
    • 7.3.4 线程的调度策略
    • 7.3.5 线程优先级
    • 7.3.6 线程栈
    • 7.4 退出线程
• 参考

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前言

• 原文链接

7. 线程

7.1 概念

• 进程：进程是资源管理的最小单位

• 线程：线程是程序执行的最小单位

• 因为进程开销大，才衍生出线程

  • 进程切换上下文时， 需要重新映射虚拟地址空间、进出OS内核、寄存器切换，还会干扰处理器的缓存机制

• 一个进程至少需要一个线程作为它的指令执行体，进程管理着资源（比如cpu、内存、文件等等）， 而将线程分配到某个cpu上执行

• 

• 新的执行线程将拥有自己的栈，但与它的创建者共享全局变量、文件描述符、信号处理函数和当前目录状态

• 特点：

  • 一个程序至少有一个进程，一个进程至少有一个线程
  • 线程使用进程的资源，进程崩溃，线程也随之崩溃
  • 线程切换上下文快，进程切换上下文慢

• 使用 pthread_create 创建线程

• 使用 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 函数来销毁一个线程属性对象

• 使用 pthread_attr_init() 函数可以初始化线程对象的属性

• 使用 pthread_join() 等待线程结束

• 使用 pthread_detach() 来设置线程为分离状态

7.2 创建线程

7.2.1 pthread_create()

• 使用 pthread_create 创建线程
• 通过命令 man 了解更多
• 所需要的头文件：

  #include <pthread.h>
  

• 函数原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
  • thread：指向线程标识符的指针
  • attr：设置线程属性
  • start_routine：函数指针，线程入口
  • arg：传给线程入口函数的参数

7.3 设置线程属性

• 线程属性结构体 pthread_attr_t：

  typedef struct{
      int                   etachstate;      //线程的分离状态
      int                   schedpolicy;     //线程调度策略
      structsched_param     schedparam;      //线程的调度参数
      int                   inheritsched;    //线程的继承性
      int                   scope;           //线程的作用域
      size_t                guardsize;       //线程栈末尾的警戒缓冲区大小
      int                   stackaddr_set;   //线程的栈设置
      void*                 stackaddr;       //线程栈的位置
      size_t                stacksize;       //线程栈的大小
  }pthread_attr_t;
  

• 注意：
  • 因为 pthread 并非 Linux 系统的默认库，而是 POSIX线程库。在Linux中将其作为一个库来使用， 因此编译时需要加上-lpthread（或-pthread）以显式指定链接该库
  • 函数在执行错误时，并不把错误信息写到变量 error 中，而是作为返回值返回
• 线程属性不能直接设置，只能通过函数操作
• 线程属性包括：作用域（scope）、栈大小（stacksize）、栈地址（stackaddress）、优先级（priority）、 分离的状态（detachedstate）、调度策略和参数（scheduling policy and parameters）
• 线程的默认属性：非绑定、非分离、1M的堆栈大小、与父进程同样级别的优先级
• API：

API	说明
pthread_attr_init()	初始化一个线程对象的属性
pthread_attr_destroy()	销毁一个线程属性对象
pthread_attr_getaffinity_np()	获取线程间的CPU亲缘性
pthread_attr_setaffinity_np()	设置线程的CPU亲缘性
pthread_attr_getdetachstate()	获取线程分离状态属性
pthread_attr_setdetachstate()	修改线程分离状态属性
pthread_attr_getguardsize()	获取线程的栈保护区大小
pthread_attr_setguardsize()	设置线程的栈保护区大小
pthread_attr_getscope()	获取线程的作用域
pthread_attr_setscope()	设置线程的作用域
pthread_attr_getstack()	获取线程的堆栈信息（栈地址和栈大小）
pthread_attr_setstack()	设置线程堆栈区
pthread_attr_getstacksize()	获取线程堆栈大小
pthread_attr_setstacksize()	设置线程堆栈大小
pthread_attr_getschedpolicy()	获取线程的调度策略
pthread_attr_setschedpolicy()	设置线程的调度策略
pthread_attr_setschedparam()	获取线程的调度优先级
pthread_attr_getschedparam()	设置线程的调度优先级
pthread_attr_getinheritsched()	获取线程是否继承调度属性
pthread_attr_getinheritsched()	设置线程是否继承调度属性

7.3.1 pthread_attr_init()

• 使用 pthread_attr_init 初始化线程对象属性
• 通过命令 man 了解更多
• 所需要的头文件：

  #include <pthread.h>
  

• 函数原型：int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
  • attr：指向一个线程属性的指针
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失败：返回 非 0

7.3.2 销毁一个线程属性对象

• 使用 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 函数来销毁一个线程属性对象
  • attr：指向一个线程属性的指针
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失败：返回 错误码

7.3.3 线程的分离状态

• 在任何一个时间点上，线程是可结合的（joinable），或者是分离的（detached）

  • 可结合的线程：能够被其他线程收回其资源和杀死；在被其他线程回收之前，它的存储器资源（如栈）是不释放的
  • 分离的线程：不能被其他线程回收或杀死的，它的存储器资源在它终止时由系统自动释放

• 线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己

• 默认状态下是 非分离状态

• 函数：

  • int pthread_join(pthread_t tid, void **rval_ptr)；
    • 等待某个线程的终止，获得该线程的终止状态，并收回所占的资源
    • • tid：线程标识符
    • rval_ptr设置为NULL，则忽略返回状态
  • int pthread_detach(pthread_t tid)；
    • 将线程设置为分离状态
    • 头文件：#include <pthread.h>
    • tid：线程标识符
    • 返回：
      • 成功：返回 0
      • 失败：返回一个错误值：
        • EINVAL：tid 对应的线程不是一个 非分离的线程
        • ESRCH：找不到对应的线程

• 在非分离状态下：

  • 原有线程等待创建的线程结束，只有当 pthread_join() 函数放回时，创建的线程才算真正终止

• 在分离状态下：

  • 该线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源

• 如果在创建线程时就知道不需要了解线程的终止状态，则可以 pthread_attr_t 结构中的 detachstate 线程属性，让线程以分离状态启动

  • 使用 pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate） 函数来设置线程分离状态
    • attr：指向一个线程属性的指针
    • detachstate：
      • PTHREAD_CREATE_DETACHED：分离线程
      • PTHREAD _CREATE_JOINABLE：非分离线程

• 获取某个线程的分离状态

  • 使用 int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate); 函数获取线程的分离状态
  • attr：指向一个线程属性的指针
  • detachstate：保存状态的值
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失败：返回 错误码

• 注意：

  • 如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在 pthread_create 函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用 pthread_create 的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用 pthread_cond_timewait 函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数 pthread_create 返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如 wait() 之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。

7.3.4 线程的调度策略

• POSIX 标准指定了三种调度策略：

  1. 普通线程（默认）SCHED_OTHER。采用时分调度策略，不需要实时机制。另外两种用于超级用户权限时运行。
  2. 实时线程SCHDE_FIFO。采用实时调度-先进先出方式策略。一旦占用cpu则一直运行，直到有更高优先级任务到达或自己放弃。
  3. 轮询调度SCHED_RR。采用实时调度-时间片轮转方式调度策略。当任务的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平。所以说SCHED_RR=SCHED_OTHER+SCHDE_FIFO。

• 与调度相关的API

  • 参数说明：
    • attr：指向一个线程属性的指针。
    • inheritsched：线程是否继承调度属性，可选值分别为
      • PTHREAD_INHERIT_SCHED：调度属性将继承于创建的线程，attr中设置的调度属性将被忽略。
      • PTHREAD_EXPLICIT_SCHED：调度属性将被设置为attr中指定的属性值。
    • policy：可选值为线程的三种调度策略
      • SCHED_OTHER
      • SCHED_FIFO
      • SCHED_RR

  int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr, int inheritsched);
  int pthread_attr_getinheritsched(const pthread_attr_t *attr, int *inheritsched);
  
  int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);
  int pthread_attr_getschedpolicy(const pthread_attr_t *attr, int *policy);
  

7.3.5 线程优先级

• SCHED_OTHER调度时
  • 静态优先级必须置为 0
  • 处于静态优先级为 0 的线程按照动态优先级被调度
  • 动态优先级值起始于 nice 值，且当前线程处于就绪态并被调度器无视时，其动态值++，以保证竞争CPU的公平性
• 线程优先级的设置（静态优先级）（SCHED_FIFO和SCHED_RR）
  • 通过以下函数来获得线程可以设置的最高和最低优先级（不支持SCHED_OTHER）

  int sched_get_priority_max(int policy);
  int sched_get_priority_min(int policy);
  

  • 通过以下两个函数来设置和获取优先级

  int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param);
  int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);
  

• 线程优先级特点
  • 新线程的优先级默认为 0
  • 新线程不继承父线程调度优先级（PTHREAD_EXPLICIT_SCHED)
  • 当线程的调度策略为SCHED_OTHER时，不允许修改线程优先级，仅当调度策略为实时（即SCHED_FIFO或SCHED_RR）时才有效， 并可以在运行时通过pthread_setschedparam()函数来改变，默认为0。

7.3.6 线程栈

• 线程栈：
  • 用于存放函数形参、局部变量、线程切换现场寄存器等数据。
  • 使用的是进程的地址空间，默认线程栈大小是 1M
  • 设置和获取线程大小可以使用一下函数

    int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
    int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);
    

7.4 退出线程

• 线程退出使用 void pthread_exit(void *retval); 函数
• 注意：不能使用 exit() 函数退出，因为该函数是直接退出进程的，会把进程内所有函数都退出。

参考

  * 野火