linux之多线程

1. linux中的线程

• 在linux中，无论是创建进程的fork，还是创建线程的pthread_create,底层实现都是调用同一个内核函数clone
• 如果复制对方的地址空间，那么就创建出一个进程，如果共享对方的地址空间，那么就产生一个线程。
• 因此：linux内核是不区分进程和线程的。只是在用户层面上进行区分。
• 线程所有的操作函数是库函数(第三方库)，而非系统调用。

1.1 线程之间共享的资源

• 文件描述符表
• 每种信号的处理方式
• 当前的工作目录
• 用户ID和组ID
• 内存地址空间

1.2 线程之间不共享的资源

• 线程id
• 处理器现场和内核栈
  • 每个线程需要有自己的内核栈空间，内核栈主要在线程切换的时候保存寄存器的值
• 用户栈
  • 用户栈里面的存储栈帧，一个栈帧代表一个函数调用
• errno变量
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

2. 线程相关的函数 2.1 pthread_self函数：获取线程id

pthread_t pthread_self(void);

• 返回值：线程id

2.2 pthread_create函数：创建线程

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);

• 返回值：成功返回0，失败返回错误号
• thread：传出参数，保存系统分配好的线程id
• attr：线程默认属性
• start_routine：函数指针，指向线程主函数。该线程运行结束，则线程结束
• arg：线程主函数执行期间所用到的参数

2.3 pthread_exit函数：将当前线程退出

• 该方法有线程自己调用

void pthread_exit(void *retval);

• retval：泛型指针，可以传任意数据类型。线程退出返回的信息。

2.4 pthread_join函数：阻塞等待其他线程退出

• 调用该函数会对线程的资源进行回收。

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• 返回值：成功返回0，失败返回错误号
• thread：要等待退出的线程id
• retval：传出参数，存储线程结束状态

2.5 pthread_detach函数：实现线程分离

• 调用该线程后，线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。从而不会产生僵尸线程。

int pthread_detach(pthread_t thread);

• 返回值：成功返回0，失败返回错误号

2.6 pthread_cancel函数：杀死线程

int pthread_cancel(pthread_t thread);

• 返回值：成功返回0，失败返回错误号

2.7 pthread_equal函数：比较两个线程id是否相等

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

• 在linux系统中没啥用，因为在pthread_t类型在linux下就是无符号整型

2.8 线程属性pthread_attr

typedef struct
{
    int 					etachstate; 	//线程的分离状态
    int 					schedpolicy; 	//线程调度策略
    struct sched_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;

• 线程属性不能直接设置，需要用相关的函数来操作

2.9 pthread_attr_init函数：初始化线程属性

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);

• 返回值：成功返回0，失败返回错误号
• attr：传出参数，初始化好的线程属性

2.10 pthread_attr_destroy函数：销毁线程属性所占用的资源

int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

• 返回值：成功返回0，失败返回错误号
• attr：要销毁的线程属性

2.11 pthread_attr_setdetachstate函数：设置线程分离属性

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate); 

• 返回值：是否成功，失败返回错误号
• detachstate
  • PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
  • PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）

2.12 setstack函数：设置栈空间属性

• 当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。
• 即在堆上分配空间（malloc）作为线程的栈空间。

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize); 

• 返回值：是否成功，失败返回错误号
• stackaddr：传入参数，堆空间中的一个地址，用于作为用户线程栈空间首地址。
• stacksize：栈空间大小

2.13 getstack函数：获取栈空间属性

int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize);

• 返回值：是否成功，失败返回错误号
• stackaddr：传出参数，栈空间的首地址
• stacksize：传出参数，栈空间大小

2.14 设置线程的栈大小

int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);

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

• 栈空间由内核指定，我们只需要指定大小即可

3. 线程同步之互斥锁相关函数 3.1 pthread_mutex_init函数：初始化一个互斥锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

• 返回值：是否成功
• mutex：传出参数，互斥锁
• attr：传入参数，互斥量属性

// 初始化互斥锁属性
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

// 给互斥锁属性设置是否进程间共享
int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

// 销毁互斥锁属性
int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);

• pshared取值
  •  PTHREAD_PROCESS_PRIVATE（线程锁，默认）
  •  PTHREAD_PROCESS_SHARED（进程锁）

3.2 pthread_mutex_destroy函数：销毁一个互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

3.3 pthread_mutex_lock函数：加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

3.4 pthread_mutex_unlock函数：解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

3.5 pthread_mutex_trylock函数：尝试加锁（非阻塞）

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

• 非阻塞函数，会立即返回结果
• 如果加锁失败直接返回错误号：EBUSY

4. 线程同步之读写锁相关函数 4.1 pthread_rwlock_init函数：初始化读写锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, 
                        const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

• rwlock：传出参数，读写锁
• attr：读写锁属性，通常传NULL

4.2 pthread_rwlock_destroy函数：销毁读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.3 pthread_rwlock_rdlock函数：加读锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.4 pthread_rwlock_wrlock函数：加写锁

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.5 pthread_rwlock_unlock函数：释放锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.6 非阻塞方式获取读锁和写锁

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

5. 线程同步之条件变量

• 条件变量通常需要与互斥锁相互配合使用。

5.1 pthread_cond_init函数：初始化一个条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, 
                        const pthread_condattr_t *restrict attr);

• 返回值：是否成功
• cond：传出参数，条件变量
• attr：条件变量属性，通常设置为NULL

5.2 pthread_cond_destroy函数：销毁一个条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

5.3 pthread_cond_wait函数

• 释放掉互斥锁，同时将线程自己挂在条件变量上阻塞。等待被唤醒。

 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

• cond：条件变量，当前线程要挂在哪个条件变量上阻塞
• mutex：互斥锁，当前线程要释放的互斥锁

5.4 pthread_cond_timedwait函数

• 释放掉互斥锁，同时将线程自身挂在条件变量上进行阻塞。到时间会自动解除阻塞，然后去争抢互斥锁

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, 
                           pthread_mutex_t *mutex, 
                           const struct timespec *abstime);

• cond：条件变量，当前线程要挂在哪个条件变量上进行阻塞
• mutex：互斥锁，当前线程要释放哪个互斥锁
• abstime：结构体，表示绝对时间

struct timespec {
			time_t tv_sec;		 秒
			long   tv_nsec;	 纳秒
		}

5.5 pthread_cond_signal函数：唤醒条件变量上的任意一个阻塞的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

5.6 pthread_cond_broadcast函数：唤醒条件变量上的所有阻塞线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

6. 线程同步之信号量相关操作 6.1 sem_init函数：初始化一个信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

• sem：传出参数，信号量
• pshared：取0用于线程间，取非0用于进程间
• value：信号量初值

6.2 sem_destroy函数：销毁一个信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

6.3 sem_wait函数：给信号量加锁

int sem_wait(sem_t *sem);

6.4 sem_post函数：给信号量解锁

int sem_post(sem_t *sem);	

6.5 sem_trywait函数：非阻塞尝试给信号量加锁

int sem_trywait(sem_t *sem);

6.6 sem_timedwait函数：

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

• 也会阻塞等待加锁。
• 但是如果在定时之内无法获取到锁，就返回错误号。