概述

• 線程和進(jìn)程本質(zhì)上來說都屬于一個(gè)內(nèi)核調(diào)度單元，也就是說都可以作為一條單獨(dú)的執(zhí)行路徑。但是多進(jìn)程程序通常有一些限制，比如說創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程開銷很大并且進(jìn)程間通信比較困難；而線程就是為了打破這些限制而誕生的。由于多個(gè)線程同屬于一個(gè)進(jìn)程，所以多個(gè)線程之間共享數(shù)據(jù)段，堆段，共享內(nèi)存以及位于棧區(qū)的共享庫(kù)。這就意味著在多個(gè)線程之間共享數(shù)據(jù)十分方便。另外創(chuàng)建一個(gè)線程的開銷也很小。
• 除了全局內(nèi)存以外，線程間還共享以下內(nèi)容

• 進(jìn)程ID
• 進(jìn)程組ID和會(huì)話ID
• 控制終端
• 用戶ID和組ID
• 打開的文件描述符
• 信號(hào)處理程序
• 當(dāng)前工作目錄，文件權(quán)限掩碼
• 定時(shí)器
• 資源限制
• fcntl創(chuàng)建的記錄鎖

• 各線程私有的屬性列舉出一部分

• 線程ID
• 信號(hào)掩碼
• 本地變量
• errno
• 線程特有數(shù)據(jù)

• 下表為Pthread API定義的一系列數(shù)據(jù)類型

線程的創(chuàng)建和終止

• 在編譯使用了pthread API的程序時(shí)需要指定libpthread庫(kù)，即增加編譯選項(xiàng)-lpthread
• 使用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的線程，原型為int pthread_create(pthread_t* thread,const pthread_attr* attr,void* (*start)(void*),void* arg)，thread是放置線程ID的緩沖區(qū)；attr是創(chuàng)建線程使用的線程屬性，一般設(shè)置為NULL；start是一個(gè)函數(shù)指針，指向該線程的執(zhí)行函數(shù)；arg是傳遞給該線程的參數(shù)，可以在start函數(shù)中獲取，一般是全局變量或者堆變量
• 可以使用如下方式終止線程的運(yùn)行：1.使用return返回并指定返回值。2.調(diào)用pthread_exit。3.調(diào)用pthread_cancel。4.任意線程調(diào)用exit將終止同一個(gè)進(jìn)程的所有其他線程。
• pthread_exit的函數(shù)原型為void pthread_exit(void* retval)，retval返回值可以由其他線程調(diào)用pthread_join獲得；但是對(duì)于線程的返回值不應(yīng)該放在線程私有棧中，因?yàn)榫€程結(jié)束后該線程棧被釋放，從而數(shù)據(jù)就不正確了；
• 可以調(diào)用pthread_self查看自身的線程ID，原型為pthread_t pthread_self(void)；另外，在調(diào)用pthread_create創(chuàng)建新線程時(shí)，如果創(chuàng)建成功會(huì)返回對(duì)應(yīng)的線程ID；對(duì)于兩個(gè)線程ID的比較不能使用==而要調(diào)用pthread_equal，其原型為int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2)
• 使用pthread_join可以連接一個(gè)線程，即等待特定線程終止，獲取其返回值。如果線程未被分離，則必須由另一線程調(diào)用此函數(shù)連接，否則會(huì)產(chǎn)生僵尸線程。另外，進(jìn)程中的任意線程都可以連接其他線程。其函數(shù)原型為int pthread_join(pthread_t thread,void** retval)，如果retval非空值將會(huì)保存待連接線程的退出值（包括return和pthread_exit）。如果連接成功返回0，否則返回錯(cuò)誤值（直接返回errno）
• 默認(rèn)情況下，線程是可連接的，也就是說在線程退出時(shí)，其他線程可以通過pthread_join來獲得退出值。但是如果不關(guān)心線程的退出值，那么可以讓系統(tǒng)去負(fù)責(zé)終止線程的回收工作。在這種情況下，需要調(diào)用pthread_detach來使得線程處于分離狀態(tài)。函數(shù)原型為int pthread_detach(pthread_t thread)，如果成功調(diào)用函數(shù)返回0，否則返回錯(cuò)誤值。另外，如果一個(gè)線程已經(jīng)處于分離狀態(tài)，那么其他線程就不能再使用連接函數(shù)去回收該線程

線程同步

• 為避免線程修改共享變量時(shí)出現(xiàn)問題，必須使用互斥量來確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠訪問共享變量?；コ饬恐挥袃煞N狀態(tài)，已鎖定和未鎖定狀態(tài)。一旦線程鎖定一個(gè)互斥量，那么該線程成為該互斥量的所有者，也只有互斥量所有者才能為其解鎖，并且只有當(dāng)互斥量處于未鎖定狀態(tài)時(shí)才能被線程占有
• 互斥量可以有兩種初始化方式，其一是通過靜態(tài)分配，即pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；其二是通過pthread_mutex_init方法動(dòng)態(tài)初始化
• 在初始化后，互斥量處于未鎖定狀態(tài)。函數(shù)pthread_mutex_lock可以鎖定一個(gè)互斥量，而函數(shù)pthread_mutex_unlock可以將互斥量解鎖。如果所指定的mutex已經(jīng)被鎖定（被某個(gè)線程占有），那么調(diào)用pthread_mutex_lock的線程將被阻塞，直到該mutex解除鎖定狀態(tài)。并且如果有多個(gè)線程同時(shí)等待同一個(gè)互斥量，那么系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)選一個(gè)線程，而不是確定的。對(duì)于被自己鎖定過的互斥量進(jìn)行加鎖要根據(jù)互斥量的不同屬性（可重入性）來判別。對(duì)于一個(gè)未被鎖定或者被其他線程鎖定的互斥量調(diào)用unlock會(huì)出錯(cuò)。兩個(gè)函數(shù)的原型如下

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);

• 由于pthread_mutex_lock函數(shù)在某些時(shí)刻會(huì)阻塞調(diào)用線程，而我們又不想發(fā)生這樣的情況。這時(shí)候我們就需要pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_timedlock函數(shù)。如果指定的mutex已經(jīng)被鎖定，對(duì)其執(zhí)行trylock會(huì)失敗并立即返回EBUSY錯(cuò)誤；而如果對(duì)其調(diào)用timedlock則可以指定一個(gè)阻塞時(shí)間，如果超過這個(gè)阻塞時(shí)間，那么就返回失敗
• 為避免死鎖的出現(xiàn)，應(yīng)該遵循一個(gè)原則，當(dāng)多個(gè)線程訪問一組互斥量時(shí)，應(yīng)當(dāng)以相同的順序進(jìn)行鎖定；或者可以避免使用lock而代替使用trylock
• 當(dāng)互斥量是在共享內(nèi)存區(qū)域中分配或者需要使用非默認(rèn)的互斥量屬性時(shí)需要使用動(dòng)態(tài)分配的方式；并且當(dāng)使用完畢以后，需要調(diào)用pthread_mutex_destroy函數(shù)將其銷毀。如果互斥量所在的內(nèi)存是動(dòng)態(tài)分配的，在調(diào)用destroy函數(shù)之前，還需要先調(diào)用free函數(shù)將內(nèi)存釋放。兩個(gè)函數(shù)的原型如下

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex);

• 對(duì)于pthread_mutexattr_t類型的設(shè)置如下代碼所示，與互斥量的創(chuàng)建類似

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t attr;

pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

pthread_mutex_init(&mutex,&attr);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

• 條件變量總是結(jié)合互斥量一起使用，條件變量就共享變量的狀態(tài)改變而發(fā)出通知，而互斥量則提供對(duì)共享變量的互斥訪問。條件變量也分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種分配方式。靜態(tài)分配方式為pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER
• 對(duì)條件變量的操作方式主要有兩類，分別是喚醒和等待。分別對(duì)應(yīng)pthread_cond_signal()和pthread_cond_wait()兩個(gè)函數(shù)。需要注意的是wait函數(shù)的工作方式，之前說過條件變量需要結(jié)合互斥量一起使用，所以wait函數(shù)的工作流程是先解鎖mutex（以便能夠讓其他線程鎖定該mutex，不至于造成死鎖），然后阻塞工作線程直到另外的線程喚醒它，最后在鎖定mutex。另外，pthread_cond_broadcast函數(shù)會(huì)喚醒所有在等待該條件變量的線程，函數(shù)原型如下

#include <pthread.h>

int pthread_cond_signal(pthread_cont_t* cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cont_t* cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cont_t* cond,pthread_mutex_t* mutex);

• 在測(cè)試條件變量的判斷條件時(shí)，需要使用while循環(huán)而非if判斷。理由是可能不止一個(gè)線程在等待該條件變量，也就是說條件變量的滿足并非等同于程序所需要的判斷條件滿足，所以應(yīng)該循環(huán)判斷
• 可以通過pthread_cond_init對(duì)條件變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，與mutex的動(dòng)態(tài)分配類似，也會(huì)有一個(gè)配套的destroy函數(shù)

線程特有數(shù)據(jù)

• 線程安全函數(shù)是指能夠被多個(gè)線程同時(shí)安全調(diào)用的函數(shù)，這和可重入函數(shù)有點(diǎn)類似；但是可重入函數(shù)是線程安全函數(shù)的一個(gè)子集，也就是說可重入函數(shù)一定是線程安全函數(shù)，但線程安全函數(shù)不一定是可重入函數(shù)（因?yàn)榭芍厝牒瘮?shù)不僅可以工作于不同線程之間，也可以工作在不同進(jìn)程中間）
• 有時(shí)候多線程程序會(huì)有這樣的需求，即不管創(chuàng)建了多少線程，一些初始化函數(shù)只調(diào)用一次，這對(duì)于一些庫(kù)函數(shù)來說十分常見。這可以使用pthread_once函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，once_control是一個(gè)指向pthread_once_t類型變量的指針，該參數(shù)用來確保只調(diào)用一次由init指針?biāo)赶虻某跏蓟瘮?shù)。在使用之前，pthread_once_t變量應(yīng)該這樣初始化pthread_once_t once = PTHREAD_ONCE_INIT，另外該函數(shù)原型為int pthread_once(pthread_once_t* once_control,void (*init)(void))
• 線程特有數(shù)據(jù)可以使得函數(shù)為每一個(gè)調(diào)用線程維護(hù)一份變量的副本（互相獨(dú)立）。首先需要調(diào)用int pthread_key_create(pthread_key_t* key,void (*destructor)(void*))來創(chuàng)建一個(gè)key來區(qū)分不同的線程特有數(shù)據(jù)，并且該初始化函數(shù)只需要調(diào)用一次，一般會(huì)使用pthread_once來完成。另外還可以傳入一個(gè)解構(gòu)函數(shù)指針destructor，用來釋放與每個(gè)線程特定的數(shù)據(jù)資源；在創(chuàng)建完key后，需要?jiǎng)?chuàng)建每個(gè)線程獨(dú)立的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊（通過使用malloc等函數(shù)），每個(gè)線程調(diào)用函數(shù)時(shí)只會(huì)申請(qǐng)一次內(nèi)存；然后調(diào)用int pthread_setspecific(pthread_key_t key,const void* value)將之前申請(qǐng)的內(nèi)存空間與key相關(guān)聯(lián)；在之后調(diào)用void* pthread_getspecific(pthread_key_t key)時(shí)，會(huì)直接返回與key關(guān)聯(lián)的內(nèi)存塊。如果是首次調(diào)用，即還沒調(diào)用setspecific完成綁定，那么getspecific會(huì)返回NULL。示例代碼如下（假設(shè)func是會(huì)被多個(gè)線程調(diào)用的函數(shù)）

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#define BUFFSIZE 4096

static pthread_once_t once = PTHREAD_ONCE_INIT;
static pthread_key_t key;

void finalize(void* buf)
{
    free(buf);
}

void createKey(void)
{
    int res = pthread_key_create(&key,finalize);
    if(res != 0)
        /*出錯(cuò)處理*/
}

void func()
{
    int res;
    char* buf;

    res = pthread_once(&once,createKey);
    if(res != 0)
        /*出錯(cuò)處理*/

    buf = (char*)pthread_getspecific(key);
    if(buf == NULL)
    {
        buf = (char*)malloc(BUFFSIZE);
        pthread_setspecific(key,buf);
    }

    /*其他處理*/
}

線程取消

• 一般線程只能主動(dòng)退出或終結(jié)，但是可以通過int pthread_cancel(pthread_t thread)線程取消函數(shù)來終止一個(gè)指定線程。但是調(diào)用該取消函數(shù)會(huì)立即返回，這意味著指定的線程不會(huì)立即被取消，而線程何時(shí)取消以及會(huì)不會(huì)取消都要取決于該線程自身的線程取消狀態(tài)和類型屬性
• 線程可以調(diào)用int pthread_setcancelstate(int state,int* oldstate)和int pthread_setcanceltype(int type,int* oldtype)來設(shè)置自身的取消狀態(tài)和類型，oldstate和oldtype緩沖區(qū)可以獲得原來的設(shè)定值。線這兩種屬性有以下的一些取值：線程取消狀態(tài)PTHREAD_CANCEL_DISABLE，表示線程不可取消，如果線程收到了取消請(qǐng)求，那么會(huì)將該請(qǐng)求掛起直到線程取消狀態(tài)改變；線程取消狀態(tài)PTHREAD_CANCEL_ENABLE，表示線程可以取消，這是線程取消狀態(tài)的默認(rèn)值，但是即使處于這個(gè)狀態(tài)，也并不意味著線程會(huì)被取消。還需要取決于線程類型值（type）。如果type是PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS，表示可能會(huì)在任意時(shí)間點(diǎn)取消線程，并不確定，這被稱之為異步取消；如果type是PTHREAD_CANCEL_DEFERED，取消請(qǐng)求會(huì)被掛起直到到達(dá)取消點(diǎn)（下面介紹取消點(diǎn)）
• 取消點(diǎn)實(shí)際上就是一個(gè)函數(shù)，如果線程收到了一個(gè)取消請(qǐng)求并且設(shè)置了取消狀態(tài)且取消類型被置為延遲，那么該線程就會(huì)被終止。另外，如果該線程沒有被分離，需要其他線程對(duì)其進(jìn)行連接，pthread_join調(diào)用的第二個(gè)參數(shù)會(huì)被置為PTHREAD_CANCELED
• 并不是所有的函數(shù)都是取消點(diǎn)，如果線程的執(zhí)行函數(shù)中沒有取消點(diǎn)，那么就不會(huì)響應(yīng)取消請(qǐng)求。這時(shí)候我們需要調(diào)用void pthread_testcancel(void)函數(shù)來創(chuàng)造一個(gè)取消點(diǎn)。如果調(diào)用線程有一個(gè)取消請(qǐng)求被掛起，那么調(diào)用該函數(shù)會(huì)使得線程立即終止

線程和信號(hào)

• 信號(hào)屬于進(jìn)程層面，如果某一進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)且其默認(rèn)動(dòng)作為stop或者term，那么將停止整個(gè)進(jìn)程和所有線程
• 進(jìn)程中的所有線程共享為每個(gè)信號(hào)設(shè)置的信號(hào)處理程序
• 信號(hào)的發(fā)送既可以面向進(jìn)程也可以面向線程單獨(dú)發(fā)送。當(dāng)面向一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信號(hào)時(shí)，進(jìn)程會(huì)隨機(jī)選擇一個(gè)線程來接收該信號(hào)并處理。只有當(dāng)信號(hào)的來源是以下三種時(shí)，才會(huì)面向線程發(fā)送信號(hào)：其一是源于線程上下文中對(duì)特定硬件指令的執(zhí)行，即SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGSEGV；其二是跟管道相關(guān)的信號(hào)SIGPIPE；其三是通過pthread_kill或者pthread_sigqueue發(fā)出的信號(hào)
• 上面說過信號(hào)掩碼是線程獨(dú)有的，是針對(duì)每一個(gè)進(jìn)程而言的；可以調(diào)用int pthread_sigmask(int how,const sigset_t* set,sigset_t* oldset)進(jìn)行設(shè)置。另外，內(nèi)核會(huì)為所有線程和進(jìn)程各自維護(hù)信號(hào)掛起集合，函數(shù)sigpending會(huì)返回為整個(gè)進(jìn)程和當(dāng)前線程所掛起信號(hào)的并集
• 函數(shù)int pthread_kill(pthread_t thread,int sig)可以向指定線程發(fā)送信號(hào)而不是面向進(jìn)程發(fā)送信號(hào)
• 在多線程程序中調(diào)用exec后，將執(zhí)行程序替換并且只會(huì)留下調(diào)用線程，其他線程都會(huì)消失（包括所有的線程對(duì)象，比如互斥量，條件變量等）；調(diào)用fork之后，子進(jìn)程只會(huì)復(fù)制調(diào)用線程而拋棄其他線程，但是會(huì)留下線程對(duì)象（這會(huì)出現(xiàn)一些問題，比如一些互斥量沒辦法解鎖）。所以在多線程程序中執(zhí)行fork一般都會(huì)在exec之后