Linux编程学习笔记 | Linux多线程学习[1] - 线程的建立和基本控制

文章系列缘由

2017年年初，我给本身定了一个小小的目标：学习Linux编程，并经过网络来分享本身的学习心得。为了完成这个小小的目标，我开始用经过写文章来记录个人学习心得，但愿在年末时，我能完成24篇Linux相关的学习文档，以实现我这个小小的目标。这是这个系列的第一篇文章，是我对最近学习Linux多线程的总结。

什么是线程

咱们来看看维基百科是如何对线程进行定义的：

线程（英语：thread）是操做系统可以进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运做单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中能够并行多个线程，每条线程并行执行不一样的任务。在Unix System V及SunOS中也被称为轻量进程（lightweight processes），但轻量进程更多指内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

一个进程能够包含多个线程，这些线程有各自的调用栈(call stack)，本身的寄存器环境（register context)以及本身的线程本地存储(thread-local storage)。每条线程都是并发执行不一样的任务。由于还没写进程相关的文章，这里我就不进一步说明进程和线程的区别了，我会在进程或者单独的文章中说明它们的异同。

线程的生命周期

线程的四个状态

线程在其生命周期中有四种状态，分别是就绪、运行、阻塞和终止，下面这个表格解释了这四种状态：

状态	含义
就绪	线程可以运行，可是在等待可用的处理器
运行	线程正在运行，在多核系统中，可能同时有多个线程在运行
阻塞	线程在等待处理器之外的其余条件
终止	线程从启动函数中返回，或者调用pthread_exit函数，或者被取消

线程能够在必定条件下转换其状态，下图显示了线程是如何转换其状态的：

线程的建立

要建立线程，咱们使用 pthread_create() 这个函数，函数说明以下：

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

args:
    pthread_t *thread              : 指向新线程的线程号的指针，若是建立成功则将线程号写回thread指向的内存空间 
    const pthread_attr_t *attr     : 指向新线程属性的指针
    void *(*start_routine) (void *): 新线程要执行函数的地址（回调函数）
    void *arg                      : 指向新线程要执行函数的参数的指针

return: 
    线程建立的状态，0是成功，非0失败

每个成功建立的线程都有一个线程号，咱们能够经过 pthread_self() 这个函数获取调用这个函数的线程的线程号。有一点咱们须要注意，若是须要编译 pthread_XX() 相关的函数，咱们须要在编译时加入 -pthread 。

线程的基本控制

线程的结束

要结束一个线程，咱们一般有如下几种方法：

方法	说明
exit()	终止整个进程，并释放整个进程的内存空间
pthread_exit()	终止线程，但不释放非分离线程的内存空间
pthread_cancel()	其余线程经过信号取消当前线程

exit() 会终止整个进程，所以咱们几乎不会使用它来结束线程。咱们经常使用 pthread_cancel() 和 pthread_exit() 函数来结束线程。这里，咱们重点看看 pthread_exit() 这个函数:

void pthread_exit(void *retval);

args: 
    void *retval: 指向线程结束码的指针

return:
    无

要结束一个线程，只须要在线程调用的函数中加入 pthread_exit(X) 便可，但有一点须要特别注意：若是一个线程是非分离的（默认状况下建立的线程都是非分离）而且没有对该线程使用 pthread_join() 的话，该线程结束后并不会释放其内存空间。这会致使该线程变成了“僵尸线程”。“僵尸线程”会占用大量的系统资源，所以咱们要避免“僵尸线程”的出现。

线程的链接

在上一部分咱们提到了 pthread_join() 这个函数，在这一节，咱们先来看看这个函数：

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

args:
    pthread_t thread: 被链接线程的线程号
    void **retval   : 指向一个指向被链接线程的返回码的指针的指针
    
return:
    线程链接的状态，0是成功，非0是失败

当调用 pthread_join() 时，当前线程会处于阻塞状态，直到被调用的线程结束后，当前线程才会从新开始执行。当 pthread_join() 函数返回后，被调用线程才算真正意义上的结束，它的内存空间也会被释放（若是被调用线程是非分离的）。这里有三点须要注意：

1. 被释放的内存空间仅仅是系统空间，你必须手动清除程序分配的空间，好比 malloc() 分配的空间。

2. 一个线程只能被一个线程所链接。

3. 被链接的线程必须是非分离的，不然链接会出错。

线程的分离

在上一节中，咱们在谈 pthread_join() 时说到了只有非分离的线程才能使用 pthread_join() ，这节咱们就来看看什么是线程的分离。在Linux中，一个线程要么是可链接的，要么是可分离的。当咱们建立一个线程的时候，线程默认是可链接的。可链接和可分离的线程有如下的区别：

线程类型	说明
可链接的线程	可以被其余线程回收或杀死，在其被杀死前，内存空间不会自动被释放
可分离的线程	不能被其余线程回收或杀死，其内存空间在它终止时由系统自动释放

咱们能够看到，对于可链接的线程而而言，它不会自动释放其内存空间。所以对于这类线程，咱们必需要配合使用 pthread_join() 函数。而对于可分离的函数，咱们就不能使用 pthread_join() 函数。
要使线程分离，咱们有两种方法：1）经过修改线程属性让其成为可分离线程；2）经过调用函数 pthread_detach() 使新的线程成为可分离线程。
下面是 pthread_detach() 函数的说明：

int pthread_detach(pthread_t thread);

args:
    pthread_t thread: 须要分离线程的线程号

return:
    线程分离的状态，0是成功，非0是失败

咱们只须要提供须要分离线程的线程号，即可以使其由可链接的线程变为可分离的线程。

主线程

在上面的几节中，咱们讲了线程的建立，结束和链接。这节咱们来看一个特殊的线程 - 主线程。
在C程序中， main(int argc, char **argv) 就是一个主线程。咱们能够在主线程中作任何普通线程能够作的事情，但它和通常的线程有有一个很大的区别：主线程返回或者运行结束时会致使进程的结束，而进程的结束会致使进程中全部线程的结束。为了避免让主线程结束全部的线程，根据咱们以前所学的知识，有这么几个解决办法：

1. 不让主线程返回或者结束（在 return 前加入 while(1) 语句）。

2. 调用 pthread_exit() 来结束主线程，当主线程 return 后，其内存空间会被释放。

3. 在 return 前调用 pthread_join() ，这时主线程将被阻塞，直到被链接的线程执行结束后，才接着运行。

在这三种方法中，前两种不多被使用，第三种是经常使用的方法。

总结

这篇文章主要介绍了线程的基本概念，线程的生命周期和状态，线程的建立、结束、链接、分离以及主线程。在下一篇中，我将介绍多线程中的重点 - 同步。

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