[ Linux ] 線程控制(線程建立，等待，終止)

在上一篇我們了解了Linux下線程的相關概念。而本篇的主要内容是線程控制。線程控制包括線程的建立，線程的終止，線程等待等問題，以及線程分離和Linux常見線程安全問題。

1.線程控制

線程控制和我們之前學習過的程序控制類似，包括線程建立終止等待。我們會從完成編碼和驗證兩個方面完善線程控制。

1.1POSIX線程庫

在上一篇博文我們就提到過，作業系統并沒有直接提供相關的接口。而是由大多數程式員為我們開辟好了一個原生的線程庫。是以我們要對線程進行控制。就要進入這個線程庫。

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_”打頭的。例如pthread_create,pthread_join。
要使用這些函數庫，要通過引入頭檔案<pthread.h>
連結這些線程函數庫時要使用編譯器指令的“-lpthread”選項

1.2 建立線程

pthread_create

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：傳回線程id
attr：設定線程的屬性，attr為NULL表示使用預設屬性
start_routine：是個函數位址，線程啟動後要執行的函數（回調函數）
arg：傳給線程啟動函數的參數

傳回值：成功傳回0，失敗傳回錯誤碼
錯誤檢查：

傳統的一些函數是成功傳回0，失敗傳回-1，并且對全局變量errno指派以訓示錯誤
pthreads函數出錯時不會設定全局變量errno(而大部分其他POSIX函數會這樣)。而是将錯誤代碼通過傳回值傳回
pthreads同樣也提供了線程内的errno變量，以支援其他使用errno的代碼。對于pthreads函數的錯誤，建議通過傳回值判定，因為讀取傳回值要比讀取線程内的errno變量開銷更小。

1.2.1 建立線程編碼

了解了線程建立的函數和參數使用方式之後，我們在代碼中來展現一番：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

void *startRoutine(void *args)
{
    while(true)
    {
        cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}


int main()
{
    //建立tid
    pthread_t tid;

    //建立線程
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");
    
    //主線程
    while(true)
    {
        cout<<"我是主線程，我正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我們來檢視一下目前的線程

1.2.2 代碼相關解釋

首先我們建立了一個線程id（tid），這個tid是一個整數，我們來看看線程id是什麼？

我們列印完發現這個tid怎麼這麼大，這裡所謂的id是什麼？這個值是什麼？我們到後面會說。現在我們可以先把這個數字轉成16進制看看。

//将tid轉乘16進制
static void printTid(const pthread_t& tid)
{
    printf("tid: 0x%x\n",tid);

}

庫内我們還有一個可以擷取自己id的函數pthread_self(). -- 誰掉這個函數就把線程id傳回給誰

是以我們修改一下代碼，目前在擷取一下線程id

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

//将tid轉乘16進制
static void printTid(const char *name,const pthread_t& tid)
{
    printf("%s 正在運作 ,tid: 0x%x\n",name,tid);

}
void *startRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    while(true)
    {
        printTid(name,pthread_self());
        //cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}


int main()
{
    //建立tid
    pthread_t tid;
    //建立線程
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");
    //printTid(tid);
    //cout<<"tid :" <<tid<<endl;
    //主線程
    while(true)
    {
        printTid("man thread:",pthread_self());
        //cout<<"我是主線程，我正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

很明顯這兩個線程的tid是不一樣的。

1.2.3 建立多個線程

現在我們已經學會了建立線程了，那麼我們如果建立多個線程呢？

我們可以和建立多程序一樣，可以打循環建立。

1.2.4 線程ID及程序位址空間布局

pthread_create函數會産生一個線程ID,存放在第一個參數指向的位址中。該線程ID和前面說的線程ID不是一回事。
前面講的線程ID屬于程序排程的範疇。因為線程是輕量級程序，是作業系統排程器的最小機關，是以需要一個數值來唯一表示該線程。
pthread_create函數第一個參數指向一個虛拟記憶體單元，該記憶體單元的位址即為新建立線程的線程ID，屬于NPTL線程庫的範疇，線程庫的後續操作，就是根據線程ID來操作線程的。
線程庫NPTL提供了pthread_self()函數，可以獲得線程自身的ID。 pthread_t pthread_self(void);

1.2.5 pthread_t

pthread_t 到底是什麼類型呢？取決于實作。對于Linux目前實作的NPTL實作而言，pthread_t類型的線程ID，本質就是一個程序位址空間上的一個位址。

我們在vs code中檢視pthread_t的類型可以發現，目前的pthread_t其實就是一個無符号長整型的整數。

1.3 線程等待

我們在主執行流(main)内建立線程之後，我們也要等待線程，類似于程序部分的父程序等待子程序。不等待的話可能會引發記憶體洩漏問題。

1.3.1為什麼需要線程等待

為什麼要有線程等待主要有兩點原因：

已經退出的線程，其空間沒有被釋放，仍然在程序的位址空間内。
建立新的線程不會複用剛才退出線程的位址空間

是以有可能引發記憶體洩漏的問題。

1.3.2 pthread_join介紹及其編碼

如何等待一個線程呢？我們可以使用pthread_join函數，首先我們先了解一下這個函數

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：它指向一個指針，後者指向線程的傳回值

傳回值：成功傳回0，失敗傳回錯誤碼。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

//将tid轉乘16進制
static void printTid(const char *name,const pthread_t& tid)
{
    printf("%s 正在運作 ,tid: 0x%x\n",name,tid);

}
void *startRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    int cnt = 5;
    while(true)
    {
        printTid(name,pthread_self());
        //cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
        if(!(cnt--))  break;
    }
    cout<<"線程退出啦........"<<endl;
    return nullptr;
}


int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");

    sleep(10);

    pthread_join(tid,nullptr);
    return 0;
}

我們再寫一個監控腳本檢視目前線程個數

while :; do ps -aL | head -1 && ps -aL | grep mythread; sleep 1; done

是以線程退出的時候必須要join，如果不join就會造成類似于程序那樣的記憶體洩漏問題。

1.3.3 join的第二個參數 value_ptr

我們檢視文檔發現，join的第二個參數是一個二級指針，而且是一個輸出型參數，指向的是線程的傳回值。我們所寫的回調函數的傳回值是一個void*,如果我們傳回一個void*的值，主線程可以接受的。我們使用編碼來進行驗證。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;


//将tid轉乘16進制
static void printTid(const char *name,const pthread_t& tid)
{
    printf("%s 正在運作 ,tid: 0x%x\n",name,tid);


}
void *startRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    int cnt = 5;
    while(true)
    {
        printTid(name,pthread_self());
        //cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
        if(!(cnt--))  
        {
            break;
            // int *p = nullptr;
            // *p = 100;//野指針問題
        }
    }
    cout<<"線程退出啦........"<<endl;
    return (void*)111;
}



int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");
    (void)n;


    void *ret = nullptr;// void* -> 位元組
    pthread_join(tid,&ret);//void **retval是一個輸出型參數
    cout<<"main thread join sucess , *ret:" <<(long long)ret<<endl; 

    sleep(10);
    //主線程
    while(true)
    {
        printTid("man thread:",pthread_self());
        //cout<<"我是主線程，我正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }


    return 0;
}

我們能夠發現主線程是可以收到線程的退出碼的。

1.4 線程終止

如果需要隻終止某個線程而不終止整個程序，可以有三種方法：

從線程函數return，這種方法對于主線程不适用，從mian函數return相當于調用exit。
線程可以調用pthread_exit終止自己
一個線程可以調用pthread_cancel終止同一程序中的另一個線程

其中方法一正是我們1.3.3所提到的。這裡我們再來了解剩下兩個函數，線程調用pthread_exit()函數終止自己和線程調用pthread_cancel終止同程序内的另一個線程。

1.4.1pthread_exit 介紹和編碼

pthread_exit函數

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量
傳回值：無傳回值，跟程序一樣，線程結束的時候無法傳回到它的調用者（自身）

需要注意的是，pthread_exit或者return傳回的指針所指向的記憶體單元必須是全局的或者是用malloc配置設定的，不能是線程函數在棧上配置設定，因為當其他線程得到這個傳回指針時線程函數已經退出了。有可能造成野指針問題。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

//将tid轉乘16進制
static void printTid(const char *name,const pthread_t& tid)
{
    printf("%s 正在運作 ,tid: 0x%x\n",name,tid);

}
void *startRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    int cnt = 5;
    while(true)
    {
        printTid(name,pthread_self());
        //cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
        if(!(cnt--))  
        {
            break;
            // int *p = nullptr;
            // *p = 100;//野指針問題
        }
    }
    cout<<"線程退出啦........"<<endl;
    //return (void*)111;
    //pthread_exit
    pthread_exit((void*)2222);
}


int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");
    (void)n;

    void *ret = nullptr;// void* -> 位元組
    pthread_join(tid,&ret);//void **retval是一個輸出型參數
    cout<<"main thread join sucess , *ret:" <<(long long)ret<<endl; 

    return 0;
}

1.4.2 pthread_cancel 介紹和編碼

這個方法不太常用，但是還是介紹一下

pthread_cancel

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：成功傳回0，失敗傳回錯誤碼。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

//将tid轉乘16進制
static void printTid(const char *name,const pthread_t& tid)
{
    printf("%s 正在運作 ,tid: 0x%x\n",name,tid);

}
void *startRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    while(true)
    {
        printTid(name,pthread_self());
        //cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }
    cout<<"線程退出啦........"<<endl;
    //return (void*)111;
    //pthread_exit((void*)2222);
}


int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");
    (void)n;

    sleep(3);//代表main thread對應的工作
    //3.給線程發送取消請求 如果線程是被取消的，退出結果是：-1
    pthread_cancel(tid);
    cout<<"new thread been canceled"<<endl;

    void *ret = nullptr;// void* -> 位元組
    pthread_join(tid,&ret);//void **retval是一個輸出型參數
    cout<<"main thread join sucess , *ret:" <<(long long)ret<<endl; 
    
    return 0;
}

我們發現傳回的結果是-1，這裡我們需要知道如果線程是被取消的，退出結果是：-1。

-1 是庫裡面給我提供的一個宏

#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

1.5 線程控制總結

至此我們了解了線程的建立，線程的等待，以及線程終止的三種方式。線上程等待中，我們要調用pthread_join函數，調用該函數的線程将挂起等待，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得到的終止狀态是不同的，總結如下：

如果thread線程通過return傳回,value_ ptr所指向的單元裡存放的是thread線程函數的傳回值。
如果thread線程被别的線程調用pthread_ cancel異常終掉,value_ ptr所指向的單元裡存放的是常數-1(PTHREAD_ CANCELED)
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線程的終止狀态不感興趣,可以傳NULL給value_ ptr參數。

1.6 驗證線程異常問題

至此我們了解了線程建立和線程等待，那麼如果線程異常了會怎麼辦呢？這和線程的健壯性相關，在上篇線程介紹中我們提到過線程異常，我們當時說

單個線程如果出現除零，野指針問題導緻線程崩潰，程序也會随着崩潰
線程是程序的執行分支，線程出異常，就類似程序出異常，進而觸發信号機制，終止程序，程序終止，該程序内的所有線程也就随即退出

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

//将tid轉乘16進制
static void printTid(const char *name,const pthread_t& tid)
{
    printf("%s 正在運作 ,tid: 0x%x\n",name,tid);

}
void *startRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    int cnt = 5;
    while(true)
    {
        printTid(name,pthread_self());
        //cout<<"線程正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
        if(!(cnt--))  
        {
            int *p = nullptr;
            *p = 100;//野指針問題
        }
    }
    cout<<"線程退出啦........"<<endl;
    return nullptr;
}


int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid,nullptr,startRoutine,(void*)"thread 1");


    pthread_join(tid,nullptr);

    sleep(10);
    while(true)
    {
        printTid("man thread:",pthread_self());
        //cout<<"我是主線程，我正在運作......"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

[ Linux ] 線程控制(線程建立，等待，終止)

1.線程控制

1.1POSIX線程庫

1.2 建立線程

1.2.1 建立線程編碼

1.2.2 代碼相關解釋

1.2.3 建立多個線程

1.2.4 線程ID及程序位址空間布局

1.2.5 pthread_t

1.3 線程等待

1.3.1為什麼需要線程等待

1.3.2 pthread_join介紹及其編碼

1.3.3 join的第二個參數 value_ptr

1.4 線程終止

1.4.1pthread_exit 介紹和編碼

1.4.2 pthread_cancel 介紹和編碼

1.5 線程控制總結

1.6 驗證線程異常問題

繼續閱讀

Java線程的概念：什麼是線程？

2023爬蟲學習筆記 -- 多線程操作

java socket多線程聊天室(一)

This application is modifying the autolayout engine from a background thread, which can lead

Socket實作聊天室（二）

網絡程式設計----TCP實作聊天室項目前言

OO設計的重要原則

【一】深入了解Java高并發 - 并發的設計原則

避免條件競争的三種方法

線程死鎖的觸發、修複、避免政策一、什麼是死鎖二、死鎖例子三、死鎖的必要條件四、定位死鎖五、死鎖的修複六、避免死鎖的政策七、活鎖八、總結

Go 基礎之 Goroutine

ThreadLocal線程局部變量-多線程與高并發

python兩種方法解決線程沖突問題線程沖突起因解決方案

C++ 多線程用條件變量确定線程的執行順序而不是使用 sleep(1)

C#多線程——前台線程和背景線程

線程同步，可重入鎖，synchronized

[ Linux ] 線程控制(線程建立，等待，終止)

1.線程控制

1.1POSIX線程庫

1.2 建立線程

1.2.1 建立線程編碼

1.2.2 代碼相關解釋

1.2.3 建立多個線程

1.2.4 線程ID及程序位址空間布局

1.2.5 pthread_t

1.3 線程等待

1.3.1為什麼需要線程等待

1.3.2 pthread_join介紹及其編碼

1.3.3 join的第二個參數 value_ptr

1.4 線程終止

1.4.1pthread_exit 介紹和編碼

1.4.2 pthread_cancel 介紹和編碼

1.5 線程控制總結

1.6 驗證 線程異常問題

繼續閱讀

1.6 驗證線程異常問題