【linux】系统编程-5-线程

时间 2021-01-04

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7. 线程

7.1 概念

进程：进程是资源管理的最小单位html
线程：线程是程序执行的最小单位编程
由于进程开销大，才衍生出线程缓存
- 进程切换上下文时，须要从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
一个进程至少须要一个线程做为它的指令执行体，进程管理着资源（好比cpu、内存、文件等等），而将线程分配到某个cpu上执行多线程
新的执行线程将拥有本身的栈，但与它的建立者共享全局变量、文件描述符、信号处理函数和当前目录状态函数
特色：线程
- 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 建立线程指针
使用 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 函数来销毁一个线程属性对象code
使用 pthread_attr_init() 函数能够初始化线程对象的属性htm
使用 pthread_join() 等待线程结束对象
使用 pthread_detach() 来设置线程为分离状态

7.2 建立线程

7.2.1 pthread_create()

使用 pthread_create 建立线程
经过命令 man 了解更多
所须要的头文件：
```
#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;           //线程的做用域
    size_t                guardsize;       //线程栈末尾的警惕缓冲区大小
    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：
- 由于 pthread 并不是 Linux 系统的默认库，而是 POSIX线程库。在Linux中将其做为一个库来使用，所以编译时须要加上-lpthread（或-pthread）以显式指定连接该库
- 函数在执行错误时，并不把错误信息写到变量 error 中，而是做为返回值返回
线程属性不能直接设置，只能经过函数操做
线程属性包括：做用域（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、与父进程一样级别的优先级
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()	获取线程的做用域
pthread_attr_setscope()	设置线程的做用域
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
经过命令 man 了解更多
所须要的头文件：
```
#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：可以被其余线程收回其资源和杀死；在被其余线程回收以前，它的存储器资源（如栈）是不释放的
- 分离的线程：不能被其余线程回收或杀死的，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本身
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，得到该线程的终止状态，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：
- 原有线程等待建立的线程结束，只有当 pthread_join() 函数放回时，建立的线程才算真正终止
在分离状态下：
- 该线程没有被其余的线程所等待，本身运行结束了，线程也就终止了，立刻释放系统资源
若是在建立线程时就知道不须要了解线程的终止状态，则能够 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：
- 若是设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又很是快，它极可能在 pthread_create 函数返回以前就终止了，它终止之后就可能将线程号和系统资源移交给其余的线程使用，这样调用 pthread_create 的线程就获得了错误的线程号。要避免这种状况能够采起必定的同步措施，最简单的方法之一是能够在被建立的线程里调用 pthread_cond_timewait 函数，让这个线程等待一下子，留出足够的时间让函数 pthread_create 返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里经常使用的方法。可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，不须要实时机制。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本身放弃。
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，系统将从新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了全部具备相同优先级的RR任务的调度公平。因此说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：调度属性将继承于建立的线程，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）

经过如下函数来得到线程能够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);

经过如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);

线程优先级特色
- 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，不容许修改线程优先级，仅当调度策略为实时（即SCHED_FIFO或SCHED_RR）时才有效，并能够在运行时经过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，由于该函数是直接退出进程的，会把进程内全部函数都退出。

参考

* 野火