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标题: 【Linux】从零开始熟悉多线程 --- 线程控制 [打印本页]

作者: 瑞星 时间: 2024-7-19 17:57
标题: 【Linux】从零开始熟悉多线程 --- 线程控制

在这个浮躁的时代只有自律的人才能脱颖而出 -- 《觉醒年代》

1 知识回首

上一篇文章中，我们通过对地址空间的再次学习来熟悉了线程：

物理空间不是一连的，是4kb的内存块（页框）组成的。
页表映射是通过虚拟地址来索引物理地址：
- 虚拟地址共32位：前10位用来索引页目次中的元素（页表），中间10位用来索引页表中的对应的元素（页框），后12位用来索引页框中的每一个字节
虚拟地址本质是一种资源，可以举行分配！对一个历程的数据举行分配实行，就是多线程的本质！
Linux中的线程是通过历程模仿的（并没有单独计划出一个单独的线程模块）
历程中可以有多个历程（之前学习的是历程的特殊环境），他们共用一个地址空间。历程从内核来看，是负担分配系统资源的基本实体！
Linux中的实行流是线程，CPU看到的实行流 <= 历程

历程与线程需要注意：

线程的调度本钱比历程低很多，是由于硬件缘故原由：CPU中存在一个cache会储存热门数据（历程相干数据），要访问数据时，会先在cache中探求，假如命中直接访问，反之举行置换。切换历程需要更换热门数据，切换线程不需要切换。
线程的结实性很差！一个线程出错会导致整个线程退出，而不同历程是独立的互不影响！历程和线程各有特长！
线程的本质是代码块！只使用函数的对应代码，即拿页表的一部分来实行！！！
线程的使用场景多为计算密集型和IO密集型，可以充分使用CPU的并行本事！

同一个历程中的线程虽然共享一个地址空间，但是照旧有独属于自己的一些东西：

一组寄存器：在硬件中储存上下文数据，包管线程可以动态并行运行！
栈空间：线程中可以处理自己的临时变量，临时变量储存在自己独立的栈区，可以独立完成使命。
线程ID
errno信号屏蔽字
调度优先级

复习的差不多了，我们了解了线程的基本概念，接下来就要开始学习怎样管理线程 — 线程控制。根据我们之前学习的历程控制，大概可以估计一下线程控制的基本接口：线程创建，线程等候，线程退出…
2 线程控制

2.1 线程创建

万事开头难，我们先来看线程怎么创建：

PTHREAD_CREATE(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_CREATE(3)
NAME
pthread_create - create a new thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
Compile and link with -pthread.

复制代码

pthread_create是创建线程的接口，内里有4个参数:

pthread_t *thread :输出型参数，线程ID。
const pthread_attr_t *attr ：线程属性（优先级，上下文…），默认传入nullptr
void *(*start_routine) (void *) : 函数指针，线程需要实行的函数地址。
void arg：想要传入到线程的信息，可以传入int，string地址或者传入一个类对象的地址。

再来看返回值：

RETURN VALUE
On success, pthread_create() returns 0; on error, it returns an error number, and the contents of *thread are undefined.

复制代码

pthread系列的函数的返回值是都是一样的：成功返回0，反之返回错误码！
2.2 线程等候

学习历程的时候，假如历程创建出来了，但是不举行等候，就拿不到退出信息，还会造成僵尸历程，进而造成内存泄漏。同样线程也需要举行等候。由主线程来等候新线程

PTHREAD_JOIN(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_JOIN(3)
NAME
pthread_join - join with a terminated thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
Compile and link with -pthread.

复制代码

这个函数内里有2个参数：

pthread_t thread：需要举行等候的线程ID
void **retval: 获取的返回信息

2.3 线程停止

牢记：main线程结束那么历程结束，所以肯定要包管main线程最后退出。

最简朴的线程停止是线程函数返回return ！
切记不要使用exit()，我们在历程控制中学习过exit()可以退出历程，但是要注意线程是在一个历程中讨论的，新线程假如使用了exit()那整个历程就退出了！exit()不可以用来停止线程
操纵系统也给我们提供了线程停止的接口：

PTHREAD_CANCEL(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_CANCEL(3)
NAME
pthread_cancel - send a cancellation request to a thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
Compile and link with -pthread.

复制代码

通过这个参数，可以看出来这是个很简朴的接口，停止对应tid的线程。只要线程存在，并且知道tid , 就可以停止线程（可以自己停止自己）。线程停止的返回值是一个整数！
3 测试运行

3.1 小试牛刀 — 创建线程

我们举行一个简朴的测试，来使用这两个接口：
注意，使用线程库的接口需要动态链接g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <string>
// 测试 1
void *ThreadRun(void *args)
{
std::cout << "name: " << *(std::string*)args << " is running"<< std::endl;
sleep(1);
std::string* ret = new std::string(*(std::string*)args + "finish...") ;
return (void*)ret;
}
int main()
{
// 创建一个新线程
// int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
pthread_t tid;
std::string name = "thread - 1";
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, &name);
//进程等待
//int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
std::string *ret = nullptr;
pthread_join(tid, (void**)&ret);
std::cout << *(std::string*)ret << std::endl;
return 0;
}

复制代码

编译运行一下，我们可以看到：

新线程完成了使命！
问题 1 ： main线程和new线程谁先运行？不确定，和历程的调度方式同等，由具体环境来定。
问题 2 ：我们期望谁先退出？肯定是main线程，所以就有join来举行等候，壅闭等候线程退出。假如不举行join,就会造成雷同僵尸历程的环境（内存泄漏）！
问题 3 ：tid是什么样子的，我们可不可以看一看？固然可以：

std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}

复制代码

这样就可以打印出来tid的十六进制：

这数字好像和lwp不同等啊

为什么tid这么大？其实tid是一个虚拟地址!!!
3.2 探幽析微 — 理解线程参数

问题 4 ：全面看待线程函数传参。上面我们的程序传入了name变量的地址，让线程获取了对应的名字。假如想要传入多个变量或方法，可以传入类对象的地址:

class ThreadData{public: std::string name; int num;};vvoid *ThreadRun(void *args){ ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args); std::cout << "name: " << td->name << " is running" << std::endl; std::cout << "num: " << td->num << std::endl; sleep(1); std::string *ret = new std::string(*(std::string *)args + "finish..."); return (void *)ret;}std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
int main(){ // 创建一个新线程 // int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg); pthread_t tid; // std::string name = "thread - 1"; ThreadData td; td.name = "thread - 1"; td.num = 100; pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, &td); // 查看tid sleep(1); std::cout << "tid: " << ToHex(tid) << std::endl; // 历程等候 // int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); std::string *ret = nullptr; pthread_join(tid, (void **)&ret); std::cout << *(std::string *)ret << std::endl; return 0;}

复制代码

这样就可以传入多个变量：

所以这个void*的变量是可以传入任何地址的，肯定要想到可以传入类对象。但是刚写的有些问题，我们上面的写法是在主线程的栈区创建变量，让新线程读取主线程的栈，不太合适（粉碎了肯定独立性）！假如多个变量都传入了这个变量，那么修改一个就会造成所以的线程中的数据都发生改变！！！这可不可！保举写：

ThreadData* td = new ThreadData();
td->name = "thread - 1";
td->num = "100";
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, td);

复制代码

这是在堆区举行开辟空间，然后将该空间交给新线程来管理！就不会出现这样的问题了！以后我们都使用这种方式来传递参数！！！
3.3 小有心得 — 探索线程返回

问题 5 ：线程的返回值输出型参数void** retval,他需要我们传递一个void*变量，然后返回值就交给了void*变量！这个过程就是对一个指针举行改变其指向的内容的操纵。
下面是一个让新线程举行加法工作的程序

void *ThreadRun(void *args)
{
ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
std::cout << "name: " << td->name << " is running" << std::endl;
std::cout << "num: " << td->num << std::endl;
sleep(1);
delete td;
//返回值
std::string *ret = new std::string(*(std::string *)args + "finish...");
return (void *)ret;
}

复制代码

这就将void*变量返回给&（void* ret）变量,让ret指向对应的堆区。这就雷同int a放入int * 中就可以改变a的值
问题 5 ：怎样全面的看待线程的返回。我们知道假如一个线程出现问题，整个历程就会退出。所以线程的返回只有正常的返回，没有异常的返回，出现异常整个历程会直接退出，根本没有返回错误信息的机会！和传入参数音参数一样，我们也可以返回一个类对象来传递多个变量。

#include <iostream>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#include <ctime>#include <string>// 测试 1class ThreadData{public: std::string name; int num1; int num2;};class ThreadResult{public: std::string name; int num1; int num2; int ans;};void *ThreadRun(void *args){ ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); std::cout << "name: " << td->name << " is running" << std::endl; std::cout << "num1: " << td->num1 << " num2: " << td->num2 << std::endl; sleep(1); ThreadResult *ret = new ThreadResult(); ret->name = td->name; ret->num1 = td->num1; ret->num2 = td->num2; ret->ans = td->num2 + td->num1; delete td; return (void *)ret;}std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
int main(){ // 创建一个新线程 // int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg); pthread_t tid; // std::string name = "thread - 1"; ThreadData *td = new ThreadData(); td->name = "thread - 1"; td->num1 = 100; td->num2 = 88; pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, td); // 查看tid sleep(1); std::cout << "tid: " << ToHex(tid) << std::endl; // 历程等候 // int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); ThreadResult *ret = nullptr; pthread_join(tid, (void **)&ret); std::cout << ret->num1 << " + " << ret->num2 << " = " << ret->ans << std::endl; return 0;}

复制代码

来看返回值：

我们成功获取了新线程中设置的返回值！非常nice!
3.4 求索无厌 — 实现多线程

问题 6 ：上面只是创建了单独的一个线程，那怎样创建多线程呢？
可以通过维护一个vector数组来对tid举行同一管理

void *ThreadRun(void *args){ std::string name = static_cast<const char *>(args); while (true) { std::cout << name << "is running ..." << std::endl; sleep(1); } return (void *)0;}std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;int main(){ std::vector<pthread_t> tids; for (int i = 0; i < num; i++) { // 1. 线程ID pthread_t tid; // 2. 线程名字 char* name = new char[128]; snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1); pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name); //保存所有线程的ID tids.push_back(tid) ; } //join sleep(100); return 0;}

复制代码

这样就创建出了10个新线程，但是我们看这些新线程的的名字好像不太对：

怎么不是1 - 10???完全是乱的！因为线程谁先被调度运行不确定！而我们传入的名字是在主线程的栈区域，大概在新线程还没有调度，name就已经在主线程中被覆盖了!解决办法很简朴，我们创建在堆区就可以了

for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 1. 线程ID
pthread_t tid;
// 2. 线程名字
//在堆区进行创建。防止被重写覆盖
char* name = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1);
pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name);
pids.push_back(tid) ;
}

复制代码

这样就整齐多了！
接下来就要举行等候：
我们已经通过vector容器来维护了创建所有线程的tid,所以只需要对所有的tid举行join就好了！

void *ThreadRun(void *args){ std::string name = static_cast<const char *>(args); while (true) { std::cout << name << "is running ..." << std::endl; sleep(3); break; } return nullptr;}std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;int main(){ std::vector<pthread_t> tids; for (int i = 0; i < num; i++) { // 1. 线程ID pthread_t tid; // 2. 线程名字 char* name = new char[128]; snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1); pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name); //保存所有线程的ID tids.push_back(tid) ; } //join for (auto tid : tids) { pthread_join(tid , nullptr); std::cout << ToHex(tid) << " quit..." << std::endl; }}

复制代码

来看运行结果：

非常好！！！
我们也可以通过返回值来获取线程的名字：

for (auto tid : tids)
{
void* name = nullptr;
pthread_join(tid , &name);
std::cout << (const char*)name<< " quit..." << std::endl;
delete (const char*)name;
}

复制代码

非常优雅！

3.5 返璞归真 — 线程停止与线程分离

问题 7 ：线程停止的返回值
我们来看看通过线程停止接口停止的线程返回值是什么样的：

void *ThreadRun(void *args){ std::string name = static_cast<const char *>(args); while (true) { std::cout << name << "is running ..." << std::endl; sleep(3); //break; } return args;}std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;int main(){ std::vector<pthread_t> tids; for (int i = 0; i < num; i++) { // 1. 线程ID pthread_t tid; // 2. 线程名字 char* name = new char[128]; snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1); pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name); //保存所有线程的ID tids.push_back(tid) ; } //join sleep(3); for (auto tid : tids) { pthread_cancel(tid); std::cout << " cancel: " << ToHex(tid) << std::endl; void* ret= nullptr; pthread_join(tid , &ret); std::cout << (long long int)ret << " quit..." << std::endl; } return 0;}

复制代码

可以看的，被phread_cancel()停止的线程的返回值是 -1!这个 -1其实是宏定义#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。线程停止的方式有三种：

线程函数 return
pthread_cancel 新线程退出结果为-1
pthread_exit

问题 8 ：可不可以不通过join线程，让他实行完就退出呢，固然可以！
这里需要线程分离接口：

PTHREAD_DETACH(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_DETACH(3)
NAME
pthread_detach - detach a thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);
Compile and link with -pthread.

复制代码

通过这个接口，分离出去的线程依然属于历程内部，但不需要被等候了。举个例子，之前再讲线程与历程的关系时，我们把不同的线程比作家庭成员，做好自己分内的事变，既可以让家庭幸福，即历程成功运行。而历程分离就比如你长大了，自己搬出去住，不受父母管了，但是依旧属于这个家庭。这种状态就是线程分离。
固然，假如想要将自己分离出去，就要知道自己的tid,这里需要接口：

PTHREAD_SELF(3) Linux Programmer's Manual PTHREAD_SELF(3)
NAME
pthread_self - obtain ID of the calling thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
Compile and link with -pthread.

复制代码

这个接口会返回调用它的线程的ID。如同getpid()

void *ThreadRun(void *args){ // 线程分离 pthread_detach(pthread_self()); std::string name = static_cast<const char *>(args); while (true) { std::cout << name << "is running ..." << std::endl; sleep(3); break; } return args;}std::string ToHex(int x)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", x);
return buffer;
}
const int num = 10;int main(){ std::vector<pthread_t> tids; for (int i = 0; i < num; i++) { // 1. 线程ID pthread_t tid; // 2. 线程名字 char *name = new char[128]; snprintf(name, 128, "thread - %d", i + 1); pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, name); // 保存所有线程的ID tids.push_back(tid); } sleep(3); for (auto tid : tids) { pthread_cancel(tid); std::cout << " cancel: " << ToHex(tid) << std::endl; void *ret = nullptr; int n = pthread_join(tid, &ret); std::cout << (long long int)ret << " quit... , n: " << n << std::endl; } return 0;}

复制代码

可以看到，假如我们等候一个已经分离出去的线程，会得到22号错误信息！所以不能 join 一个分离的线程！

所以主线程就可以不管新线程，可以继承做自己的事变，不消壅闭在join!
但是注意：线程分离了，依然是同一个历程！一个线程出异常，会导致整个历程退出！
上面是自己分离自己。也可以通过主线程分离新历程：

for (auto tid : tids)
{
pthread_detach(tid);//主线程分离新线程
}

复制代码

4 语言层的线程封装

上面讲的是Linux系统提供给我们的系统调用，资助我们可以举行线程控制，也叫做原生线程库。我们熟悉了底层的原生线程库，就会方便很多。
我们来看C++11中的线程

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <vector>
#include <string>
#include <thread>
void threadrun( int num)
{
while (num)
{
std::cout << " num: " << num << std::endl;
}
}
// C++中线程库
int main()
{
std::thread mythread(threadrun, 10);
while (true)
{
std::cout << "main thread..." << std::endl;
sleep(1);
}
mythread.join();
return 0;
}

复制代码

注意，虽然是使用的语言层的线程库，但是依旧要连接thread动态库,因为语言层线程库的本质是对原生线程库接口的封装！！！无论是java照旧python都要与原生线程库产生联系！
Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！

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