linux網路編程之posix 線程（一）：pthread 系列函數 和 簡單多線程伺服器端程式

一、posix 線程概述

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。

以前我們講過，main函數和訊號處理函數是同一個進程地址空間中的多個控制流程程，多線程也是如此，但是比訊號處理函數更加靈活，訊號處理函數的控制流程程只是在訊號遞達時產生，在處理完訊號之後就結束，而多線程的控制流程程可以長期並存，作業系統會在各線程之間調度和切換，就像在多個進程之間調度和切換一樣。由於同一進程的多個線程共用同一地址空間，因此TextSegment、Data Segment都是共用的，如果定義一個函數，在各線程中都可以調用，如果定義一個全域變數，在各線程中都可以訪問到，除此之外，各線程還共用以下進程資源和環境：

檔案描述符表

每種訊號的處理方式（SIG_IGN、SIG_DFL或者自訂的訊號處理函數）

當前工作目錄使用者id和組id

但有些資源是每個線程各有一份的：

線程id

上下文，包括各種寄存器的值、程式計數器和棧指標

棧空間

errno變數

訊號屏蔽字

調度優先順序

我們將要學習的線程庫函數是由POSIX標準定義的，稱為POSIX thread或者pthread。在Linux上線程函數位於libpthread共用庫中，因此在編譯時間要加上-lpthread選項。

二、pthread 系列函數

（一）

功能：建立一個新的線程
原型 int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void*), void *arg);
參數
thread:返回線程ID
attr:設定線程的屬性，attr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

錯誤檢查：

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)把錯誤碼轉換成錯誤資訊再列印。

（二）

功能：線程終止
原型 void pthread_exit(void *value_ptr);
參數
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。

（三）

功能：等待線程結束
原型 int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);
參數
thread:線程ID
value_ptr:它指向一個指標，後者指向線程的傳回值
傳回值：成功返回0；失敗返回錯誤碼

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。

（四）

功能：返回線程ID
原型 pthread_t pthread_self(void);
傳回值：成功返回0

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。

（五）

功能：取消一個執行中的線程
原型 int pthread_cancel(pthread_t thread);
參數
thread:線程ID
傳回值：成功返回0；失敗返回錯誤碼

一個新建立的線程預設取消狀態（cancelability state）是可取消的，取消類型（ cancelability type）是同步的，即在某個可取消點（ cancellation point，即在執行某些函數的時候）才會取消線程。具體可以man 一下。

相關函數 int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);  int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);

（六）

功能：將一個線程分離
原型 int pthread_detach(pthread_t thread);
參數
thread:線程ID
傳回值：成功返回0；失敗返回錯誤碼

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。

下面寫個程式走一下這些函數：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<sys/ipc.h> #include<sys/msg.h> #include<sys/types.h> #include<unistd.h> #include<errno.h> #include<pthread.h> #include<string.h> #define ERR_EXIT(m) \     do { \         perror(m); \         exit(EXIT_FAILURE); \     } while(0) void *routine(void *arg) {     int i;     for (i = 0; i < 20; i++)     {         printf("B");         fflush(stdout);         usleep(20);         /*             if (i == 3)                 pthread_exit("ABC");             */     }     return "DEF"; } int main(void) {     pthread_t tid;     int ret;     if ((ret = pthread_create(&tid, NULL, routine, NULL)) != 0)     {         fprintf(stderr, "pthread create: %s\n", strerror(ret));         exit(EXIT_FAILURE);     }     int i;     for (i = 0; i < 20; i++)     {         printf("A");         fflush(stdout);         usleep(20);     }     void *value;     if ((ret = pthread_join(tid, &value)) != 0)     {         fprintf(stderr, "pthread create: %s\n", strerror(ret));         exit(EXIT_FAILURE);     }     printf("\n");     printf("return msg=%s\n", (char *)value);     return 0; }

建立一個線程，主線程列印A，新線程列印B，主線程調用pthread_join 等待新線程退出，列印退出值。

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/pthread$ ./pthread_create 
ABAABABABABABABABABABABABABAABABBABABABB
return msg=DEF

在新線程中也可調用pthread_exit 退出。

三、簡單的多線程伺服器端程式

在將socket 編程的時候曾經使用fork 多進程的方式來實現並發，現在嘗試使用多線程方式來實現：

 C++ Code 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96

#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define ERR_EXIT(m) \         do \         { \                 perror(m); \                 exit(EXIT_FAILURE); \         } while(0) void echo_srv(int conn) {     char recvbuf[1024];     while (1)     {         memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));         int ret = read(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));         if (ret == 0)         {             printf("client close\n");             break;         }         else if (ret == -1)             ERR_EXIT("read");         fputs(recvbuf, stdout);         write(conn, recvbuf, ret);     } } void *thread_routine(void *arg) {     /* 主線程沒有調用pthread_join等待線程退出 */     pthread_detach(pthread_self()); //剝離線程，避免產生僵線程     /*int conn = (int)arg;*/     int conn = *((int *)arg);     free(arg);     echo_srv(conn);     printf("exiting thread ...\n");     return NULL; } int main(void) {     int listenfd;     if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)         ERR_EXIT("socket");     struct sockaddr_in servaddr;     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));     servaddr.sin_family = AF_INET;     servaddr.sin_port = htons(5188);     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);     int on = 1;     if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)         ERR_EXIT("setsockopt");     if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)         ERR_EXIT("bind");     if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)         ERR_EXIT("listen");     struct sockaddr_in peeraddr;     socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);     int conn;     while (1)     {         if ((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen)) < 0)             ERR_EXIT("accept");         printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));         pthread_t tid;         //      int ret;         /*pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, (void*)&conn);*/ // race condition問題，竟態問題         int *p = malloc(sizeof(int));         *p = conn;         pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, p);         /*                 if ((ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, (void*)conn)) != 0) //64位系統時指標不是4個位元組，不可移植                 {                     fprintf(stderr, "pthread_create:%s\n", strerror(ret));                     exit(EXIT_FAILURE);                 }         */     }

程式邏輯並不複雜，一旦accept 返回一個已串連通訊端，就建立一個新線程對其服務，在每個新線程thread_routine 中調用pthread_detach 剝離線程，我們的主線程不能調用pthread_join 等待這些新線程的退出，因為還要返回while 迴圈開頭去在accept 中阻塞監聽。

如果使用pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, (void*)&conn); 存在的問題是如果accept 再次返回一個已串連通訊端，而此時thread_routine 函數還沒取走conn 時，可能會讀取到已經被更改的conn 值。

如果使用  pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, (void*)conn); 存在的問題是在64位系統中指標不是4個位元組而是8個位元組，即不可移植 性。

使用上述未被注釋的做法，每次返回一個conn，就malloc 一塊記憶體存放起來，在thread_routine 函數中去讀取即可。

開多個用戶端，可以看到正常服務。

參考：

《linux c 編程一站式學習》

《UNP》

《APUE》