Linux多線程實踐（二）線程基本API（POSIX）

Linux多線程實踐（二）線程基本API（POSIX）

我們知道，進程在各自獨立的地址空間中運行，進程之間共用資料需要用處理序間通訊機制，有些情況需要在一個進程中同時執行多個控制流程程，這時候線程就派上了用場，比如實現一個圖形介面的下載軟體，一方面需要和使用者互動，等待和處理使用者的滑鼠鍵盤事件，另一方面又需要同時下載多個檔案，等待和處理從多個網路主機發來的資料，這些任務都需要一個“等待-處理”的迴圈，可以用多線程實現，一個線程專門負責與使用者互動，另外幾個線程每個線程負責和一個網路主機通訊。

註：linux 2.6 以後的線程就是由使用者態的pthread庫實現的.使用pthread以後, 在使用者看來, 每一個task_struct就對應一個線程, 而一組線程以及它們所共同引用的一組資源就是一個進程.在linux 2.6中, 核心有了線程組的概念, task_struct結構中增加了一個tgid(thread group id)欄位. getpid(擷取進程ID)系統調用返回的也是tast_struct中的tgid, 而tast_struct中的pid則由gettid系統調用來返回。 當線程停止/繼續, 或者是收到一個致命訊號時, 核心會將處理動作施加到整個線程組中。

比如程式a.out運行時，建立了一個線程。假設主線程的pid是10001、子線程是10002（它們的tgid都是10001）。這時如果你kill 10002，是可以把10001和10002這兩個線程一起殺死的，儘管執行ps命令的時候根本看不到10002這個進程。如果你不知道linux線程背後的故事，肯定會覺得非常奇怪。
與線程有關的函數構成了一個完整的系列，絕大多數函數的名字都是以“pthread_”開頭,要使用這些函數庫，要通過引入頭文,而且連結這些線程函數庫時要使用編譯器命令的“-lpthread”選項[Ubuntu系列系統需要添加的是”-pthread”選項而不是”-lpthread”,如Ubuntu 14.04版本,深度Ubuntu等] 下面開始介紹posix線程基本的API： pthread_create

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

建立一個新的線程

參數

thread:線程ID

attr:設定線程的屬性，一般設定為NULL表示使用預設屬性

start_routine:是個函數地址，線程啟動後要執行的函數

arg:傳給線程啟動函數的參數

傳回值：成功返回0；失敗返回錯誤碼;

以前學過的系統函數都是成功返回0，失敗返回-1，而錯誤號碼儲存在全域變數errno中，而pthread庫的函數都是通過傳回值返回錯誤號碼，雖然每個線程也都有一個errno，但這是為了相容其它函數介面而提供的，pthread庫本身並不使用它，通過傳回值返回錯誤碼更加清晰。由於pthread_create的錯誤碼不儲存在errno中，因此不能直接用perror(3)列印錯誤資訊，可以先用strerror(3)把錯誤號碼轉換成錯誤資訊再列印。讀取傳回值要比讀取線程內的errno變數的開銷更小!

/** 實踐: 新的錯誤檢查與錯誤退出函數 **/  inline void err_check(const std::string &msg, int retno)  {      if (retno != 0)          err_exit(msg, retno);  }  inline void err_exit(const std::string &msg, int retno)  {      std::cerr << msg << ": " << strerror(retno) << endl;      exit(EXIT_FAILURE);  }  

pthread_exit

void pthread_exit(void *value_ptr); 

 

value_ptr：value_ptr不要指向一個局部變數，因為當其它線程得到這個返回指標時線程函數已經退出了。
傳回值：無傳回值，跟進程一樣，線程結束的時候無法返回到它的調用者（自身）

如果需要只終止某個線程而不終止整個進程，可以有三種方法：

1、從線程函數return。這種方法對主線程不適用，從main函數return相當於調用exit，而如果任意一個線程調用了exit或_exit，則整個進程的所有線程都終止。

2、一個線程可以調用pthread_cancel 終止同一進程中的另一個線程。

3、線程可以調用pthread_exit終止自己。

pthread_join

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

當pthread_create 中的 start_routine返回時，這個線程就退出了，其它線程可以調用pthread_join得到start_routine的傳回值，類似於父進程調用wait(2)得到子進程的退出狀態。

調用該函數的線程將掛起等待，直到id為thread的線程終止。thread線程以不同的方法終止，通過pthread_join得到的終止狀態是不同的，總結如下：

1、如果thread線程通過return返回，value_ptr所指向的單元裡存放的是thread線程函數的傳回值。

2、如果thread線程被別的線程調用pthread_cancel異常終止掉，value_ptr所指向的單元裡存放的是常數PTHREAD_CANCELED。

3、如果thread線程是自己調用pthread_exit終止的，value_ptr所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數。

如果對thread線程的終止狀態不感興趣，可以傳NULL給value_ptr參數。

/** 樣本: 等待線程退出 **/  void *thread_rotine(void *args)  {      for (int i = 0; i < 10; ++i)      {          printf("B");          fflush(stdout);          usleep(20);      }      pthread_exit(NULL);  }    int main()  {      pthread_t thread;      int ret = pthread_create(&thread, NULL, thread_rotine, NULL);      err_check("pthread_create", ret);          for (int i = 0; i < 10; ++i)      {          printf("A");          fflush(stdout);          usleep(20);      }        ret = pthread_join(thread, NULL);      err_check("pthread_join", ret);      putchar('\n');      return 0;  }  

pthread_self

pthread_t pthread_self(void);  

返回線程ID

在Linux上，pthread_t類型是一個地址值，屬於同一進程的多個線程調用getpid(2)可以得到相同的進程號，而調用pthread_self(3)得到的線程號各不相同。線程id只在當前進程中保證是唯一的，在不同的系統中pthread_t這個類型有不同的實現，它可能是一個整數值，也可能是一個結構體，也可能是一個地址，所以不能簡單地當成整數用printf列印。

/** 樣本：主控線程與子線程傳遞資料 **/  typedef struct _Student  {      char name[20];      unsigned int age;  } Student;    void *threadFunction(void *args)  {      cout << "In Thread: " << pthread_self() << endl;      Student tmp = *(Student *)(args);      cout << "Name: " << tmp.name << endl;      cout << "Age: " << tmp.age << endl;        pthread_exit(NULL);  }    int main()  {      Student student = {"tach",22};        pthread_t thread;      //啟動建立並啟動線程      pthread_create(&thread,NULL,threadFunction,&student);      //等待線程結束      pthread_join(thread,NULL);        return 0;  }  

pthread_cancel

int pthread_cancel(pthread_t thread);

線程取消的方法是向目標線程發Cancel訊號，但如何處理Cancel訊號則由目標線程自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續運行至Cancelation-point（取消點），由不同的Cancelation狀態決定。

pthread_detach

int pthread_detach(pthread_t thread);  

一般情況下，線程終止後，其終止狀態一直保留到其它線程調用pthread_join擷取它的狀態為止（僵線程）。但是線程也可以被置為detach狀態，這樣的線程一旦終止就立刻回收它佔用的所有資源，而不保留終止狀態。不能對一個已經處於detach狀態的線程調用pthread_join，這樣的調用將返回EINVAL。對一個尚未detach的線程調用pthread_join或pthread_detach都可以把該線程置為detach狀態，也就是說，不能對同一線程調用兩次pthread_join，或者如果已經對一個線程調用了pthread_detach就不能再調用pthread_join了。

這個函數既可以在主線程中調用，也可以在thread_function裡面調用。

總結：進程　VS. 線程

進程(pid_t)	線程(pthread_t)
Fork	Pthread_create
Waitpit	Pthread_join/Pthread_detach
Kill	Pthread_cancel
Pid	Pthead_self
Exit/return	Pthread_exit/return
殭屍進程(沒有調用wait/waitpid等函數)	殭屍線程(沒有調用pthread_join/pthread_detach)

/** 將並發echo server改造成多線程形式  **/void echo_server(int clientSocket);  void *thread_routine(void *arg);  int main()  {      int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);      if (sockfd == -1)          err_exit("socket error");        int optval = 1;      if (setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&optval,sizeof(optval)) == -1)          err_exit("setsockopt error");        struct sockaddr_in serverAddr;      serverAddr.sin_family = AF_INET;      serverAddr.sin_port = htons(8002);      serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;    //綁定原生任意一個IP地址      if (bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(serverAddr)) == -1)          err_exit("bind error");        if (listen(sockfd,SOMAXCONN) == -1)          err_exit("listen error");        while (true)      {          int peerSockfd = accept(sockfd, NULL, NULL);          if (peerSockfd == -1)              err_exit("accept error");            pthread_t tid;          /**注意: 下面這種用法可能會產生問題                 當另一個串連快讀快速到達, peerSockfd的內容更改,                 新建立的線程尚未將該值取走時,線程讀取的就不是                 我們原來想讓線程讀取的值了         int ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, (void *)&peerSockfd);         **/          //解決方案: 為每一個連結建立一塊記憶體 ，注意之後要釋放         int *p = new int(peerSockfd);          int ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, p);          if (ret != 0)              err_thread("pthread_create error", ret);      }      close(sockfd);  } 

void *thread_routine(void *args)  {      //將線程設定分離狀態, 避免出現殭屍線程      pthread_detach(pthread_self());      int peerSockfd = *(int *)args;      //注意函數中指標取出之後記得將記憶體釋放掉     delete (int *)args;        echo_server(peerSockfd);      cout << "thread " << pthread_self() << " exiting ..." << endl;      pthread_exit(NULL);  }  void echo_server(int clientSocket)  {      char buf[BUFSIZ] = {0};      int readBytes;      while ((readBytes = read(clientSocket, buf, sizeof(buf))) >= 0)      {          if (readBytes == 0)          {              cerr << "client connect closed" << endl;              break;          }          if (write(clientSocket, buf, readBytes) == -1)          {              cerr << "server thread write error" << endl;              break;          }          cout << buf;          bzero(buf, sizeof(buf));      }  }