【Liunx专栏_6】Linux线程概念与控制

1、线程是什么？通过一个图来理解……

首先，我们知道进程等于PCB+自己的数据和代码，在创建进程的时候，操作系统要对进程进行描述，则创建一个结构体，里面包含进程的所有属性信息（标志符、状态信息、优先级等……），该结构体在Linux中称为“PCB”，即进程控制块，在Litnux中结构体名叫task_strcut。该信息会存储在程序地址空间中，也就是所说的虚拟地址空间。里面就存储了该进程的所有信息和自己的代码和数据信息。它们通过页表进行映射到物理内存空间，也就是加载内存，进行CPU的调度执行。
上面描述的整个流程，从进程的创建（PCB的创建）、程序的代码和数据通过页表进行的映射关系的建立、到CPU的调度执行，该流程就可以看做是一个执行路线，只不过只有一个执行流，我么把该执行线路就称之为线程。
即线程就是一个进程中的一天控制序列。并且一个进程中至少有一个执行线程。

之前描述的PCB只有一个，此处就称为该进程有一个执行线程，但在一个进程中可以存在多个执行流，所有执行流会公用一个虚拟内存空间，在虚拟内存中，操作系统会将资源合理分配给多个执行流。

2、Linux进程和线程？

2.1、之间的关系和区别

1. 进程：是系统资源分配的基本单位。
2. 线程：是CPU调度执行的基本单位。
3. 线程共享进程数据的同时，线程也有自己的一部分数据信息，用来描述不同线程。（线程ID、调度优先级、信号屏蔽字等……）
4. 进程中的多线程共享：即在一个进程中，有一个程序地址空间，该空间被所有线程共享，因此Text Segment、Data Segment都是共享的，因此只要定义一个函数后，所有线程都是可以调用的，同时定义了一个全局变量后也是共享的，此外多线程之间还共享了文件描述符表、当前工作目录、用户id和组id等……
5. 线程是进程的执行分支，只要一个线程出现异常情况，也就影响到整个进程，从而导致整个进程的崩溃，进而终止退出。

2.2、线程的优缺点？

1. 线程的优点：

从创建的角度看：创建一个新线程比创建一个新进程的代价小的多，因为从上面的关系和区别可以看出，创建一个线程不需要从新分配虚拟地空间，没有数据的大量拷贝，而创建进程需要创建新的程序地址空间，同时还要拷贝原始数据，增加的系统的消耗。

从切换的角度看：与进程间切换相比，线程间切换需要操作的工作量更小，主要区别就是线程之间的切换，虚拟地址空间是相同的。
从执行效率上看：在多线程的情况下可以实现并发执行，提高执行的效率。

2. 线程的缺点：

主要是性能上，一个处理器上有密集型线程的数量进行执行的时候，会有较大的性能损失，会增加额外的同步和调度开销。但是，合理的使⽤多线程，能提⾼CPU密集型程序的执⾏效率。

健壮性上：在多线程的情况下，由于虚拟地址空间是共享的，会造成一些空间的数据在同一时刻被多个线程访问，即缺少资源的保护，因此在后面会提到互斥与信号量，用来应对多线程的情况下共享资源的多次访问。

3、线程的创建

3.1、POSIX线程库

• 在Linux中，创建线程就会用到里面的库，需要包含头文件<pthread.h>。
• 同时在链接这些线程函数库的时候，编译时需要加-lpthread选项。

3.2、创建线程

1. 函数接口是：pthread_create()
   
2. 在代码中的使用：

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>void *work(void *arg)
{while(1){std::cout<<"我是线程-1: "<<pthread_self()<<"……"<<std::endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;int ret=pthread_create(&tid,nullptr,work,nullptr);if(ret!=0){std::cout<<"create failed!,code_num:"<<strerror(ret)<<std::endl;exit(-1);}while(1){std::cout<<"我是主线程: "<<pthread_self()<<"……"<<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

• 上面的代码就是在主线程中创建一个新的线程，总共两个线程，因此运行后有两个执行流，整个程序称为一个进程，每个线程有自己的唯一表示符号，上面使⽤是是 pthread_self()，得到的这个数实际上是⼀个地址，在虚拟地址空间上的⼀个地址，通过这个地址， 可以找到关于这个线程的基本信息，包括线程ID，线程栈，寄存器等属性。即线程id。我们通过打印看到确实有两个同时输出在显示器上，下面通过ps查看是不是真有两个线程在运行。

3.3、PS查看运行的线程

while :; do ps -aL | head -1 && ps -aL | grep 可执行程序名 | grep -v grep ; echo "************" ; sleep 1 ; done循环监控查看线程情况。

通过布局监控，运行程序可以看到，确实有两个线程，它们的PID都是一样的，说明这两个线程拥有同一个父进程，看到LWP，其中一个和PID相同，说明该线程就是主线程，另一个就是创建的新线程。LWP 是什么呢？LWP 得到的是真正的线程ID。

注意：
主线程的栈在虚拟地址空间的栈上，⽽其他线程的栈在是在共享区（堆栈之间），因为pthread系列函数都是pthread库提供给我们的。⽽pthread库是在共享区的。所以除了主线程之外的其他线程的栈都在共享区。

4、线程的终止

只终止其中的某个线程，而不是终止整个进程，有一下三种方法：

1. 在创建的线程函数中调用return，注意不要在主线程中调用return，在主线程中调用retrun ，就相当于调用exit。

void *work(void *arg)
{int num=5;while(num--){std::cout<<"我是线程-1: "<<pthread_self()<<"……"<<std::endl;sleep(1);}return nullptr;
}

2. 直接调用退出接口pthread_exit()终止线程。

value_ptr:value_ptr不要指向⼀个局部变量

3. 调用pthread_cancel()取消一个在执行的线程

参数就是传入线程id。成功返回0。

5、线程的等待

• 为什么要等待？
  因为退出的线程，其空间没有被释放，依旧在进程地址空间中的。若创建新的线程并不会使用刚退出的线程的地址空间，因此就造成了浪费。

• 等待的函数接口：pthread_join()

thread:线程ID
value_ptr:它指向⼀个指针，后者指向线程的返回值，返回值会根据调用不同的终止接口返回不同的值。

• 通过代码演示：创建三个线程，调用不同的终止接口，看等待的返回接收参数值是什么……

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>void *thread1(void *arg)
{std::cout << "thread1 running……" << std::endl;int *p = (int *)malloc(sizeof(int));*p = 1;return (void *)p;
}void *thread2(void *arg)
{std::cout << "thread2 running……" << std::endl;int *p = (int *)malloc(sizeof(int));*p = 2;pthread_exit((void *)p);
}void *thread3(void *arg)
{while (1){std::cout << "thread3 running……" << std::endl;sleep(1);}return nullptr;
}int main()
{pthread_t tid;void *ret;if (pthread_create(&tid, nullptr, thread1, nullptr) != 0){std::cout << "创建失败……" << std::endl;exit(-1);}pthread_join(tid, &ret);printf("thread1 退出，thread1 id=%X，return code:%d\n", tid, *(int *)ret);free(ret);if (pthread_create(&tid, nullptr, thread2, nullptr) != 0){std::cout << "创建失败……" << std::endl;exit(-1);}pthread_join(tid, &ret);printf("thread2 退出，thread2 id=%X，return code:%d\n", tid, *(int *)ret);free(ret);if (pthread_create(&tid, nullptr, thread3, nullptr) != 0){std::cout << "创建失败……" << std::endl;exit(-1);}sleep(3);pthread_cancel(tid);pthread_join(tid, &ret);if (ret == PTHREAD_CANCELED)printf("thread return, thread id=%X, return code:PTHREAD_CANCELED\n",tid);elseprintf("thread return, thread id=%X, return code:NULL\n", tid);while(1){std::cout<<"我是主线程……"<<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

1. 如果thread线程通过return返回,value_ ptr所指向的单元⾥存放的是thread线程函数的返回值。
2. 如果thread线程被别的线程调⽤pthread_ cancel异常终掉,value_ ptr所指向的单元⾥存放的是常数PTHREAD_ CANCELED。
3. 如果thread线程是⾃⼰调⽤pthread_exit终⽌的,value_ptr所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
4. 如果对thread线程的终⽌状态不感兴趣,可以传NULL给value_ ptr参数。

6、线程分离

上面看到线程的等待，线程退出后需要对线程进行等待，保证资源的释放，避免系统资源的泄露。可以看到通过等待线程进行资源的释放不是太方便，因此线程创建在默认情况下是joinable的，也就是可以线程分离的，指将一个线程从其创建者（通常是主线程）中分离出来，使其成为一个独立的执行实体。分离后的线程在终止时会自动释放其资源，而不需要其他线程显式地等待或回收它。

主要特点
1、资源自动回收：分离的线程在结束时系统会自动回收其资源
2、无需join：其他线程不需要调用join()或类似函数来等待分离线程结束
3、独立性：分离后的线程运行独立于创建它的线程

线程分离的接口函数：pthread_detach(线程ID)
下面代码描述：即通过线程分离技术，让线程自己执行5次后自动分离，自动释放资源，分离后依然显示调用join等到，依旧会等待的，只不过不会执行后面的代码，因为是阻塞式等待的。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>void* thread1(void* arg)
{int num=5;while(num--){std::cout<<(char*)arg<<std::endl;sleep(1);}pthread_detach(pthread_self());return nullptr;
}int main()
{pthread_t tid;if(pthread_create(&tid,nullptr,thread1,(void*)"thread1线程running……")!=0){std::cout<<"创建线程失败……"<<std::endl;}sleep(1);if(pthread_join(tid,nullptr)==0){std::cout<<"等待成功……"<<std::endl;return 0;//不return 就会继续执行后面的主线程}else{std::cout<<"等待失败……"<<std::endl;return -1;}while(1){std::cout<<"主线程运行中……"<<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

使用场景
1、后台任务（如日志记录、监控）
2、不需要与主线程同步的一次性任务
3、长时间运行的服务线程

注意事项
1、分离后无法再join该线程
2、分离线程不能返回结果给创建者线程
3、主线程退出可能导致分离线程被强制终止（取决于平台和设置）
4、需要谨慎处理共享资源，因为缺乏同步机制

7、线程封装

下面对创建线程步骤做一次封装：

#pragma once#include <iostream>
#include <cstring>
#include <functional>
#include <pthread.h>namespace ThreadMoodule
{using work_t = std::function<void(std::string)>;static int NameId = 1;// 枚举线程状态enum STATUS{NEW,RUNNING,STOP};// 封装线程class Thread{private:// 此处需要注意，写为成员函数的时候，函数的第一个参数默认是this*，若下面线程函数就需要用static修改，或者写在类外，由于封装，因此加staticstatic void *Routine(void *args){Thread *td = static_cast<Thread *>(args);td->_task(td->_name);return 0;}void EnableDetach(){_joinable=false;}public:Thread(work_t task): _task(task), _status(STATUS::NEW), _joinable(true){_name = "thread_" + std::to_string(NameId++);}bool StartThread(){// 启动线程if (_status != STATUS::RUNNING){// int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, nullptr);//第四个参数由于线程函数写在类中，// 被static修饰无法使用this*指针，因此无法访问成员变量，因此该参数传入this，传递给函数。int n = pthread_create(&_tid, nullptr, Routine, this);if (n != 0){return false; // 创建失败}_status = STATUS::RUNNING;return true;}return false;}bool StopThread() // 即取消{if (_status == STATUS::RUNNING){int n = pthread_cancel(_tid);if (n != 0){return false;}_status = STATUS::STOP;return true;}return false;}bool JoinThread(){if (_joinable){int n = pthread_join(_tid, nullptr);if (n != 0){return false;}_status = STATUS::STOP;return true;}return false;}void DetachThread(){//前提是没有分离的EnableDetach();pthread_detach(_tid);}std::string Name(){return _name;}bool IsJoinAble(){return _joinable;}~Thread(){}private:std::string _name;pthread_t _tid;pid_t _pid;     // 多线程，所有pid都是一样的bool _joinable; // 默认是不可分离的work_t _task;STATUS _status;};
}

#include "Thread.hpp"
#include <unistd.h>
#include <vector>#define THREAD_NUM 5int main()
{std::vector<ThreadMoodule::Thread> threads;for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++){ThreadMoodule::Thread t([](std::string name){while(true){std::cout<<name<<"执行任务……"<<std::endl;sleep(1);} });threads.emplace_back(t);}for(auto& n:threads){n.StartThread();}sleep(1);for(auto& e:threads){e.StopThread();}sleep(1);for(auto& e:threads){e.JoinThread();}return 0;
}