Linux线程操作
#Linux 2024-10-03

由于在 C++ 阶段就已经深刻学习过 线程相关的知识，但是 C 语言的线程操作繁琐且难用，就算以后要用也必然是用封装过的线程，我们需要做这个工作。总的来讲，我们要显示三个内容：银行存钱取钱，阻塞队列，生产者消费者模型。

线程的基本操作

pthread_self–获取线程ID

每个线程都有一个唯一的ID。

在 Linux 中， pthread_t 类型定义为无符号长整型 ( unsigned long ) 。

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pthread_t pthread_self(void);

pthread_create–创建线程

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

thread：pthread_t* 定义，用于接收创建的线程的标识符。

attr：线程属性，通常是 NULL ，采用默认属性。

start_routine：函数指针。

arg：传递给函数指针的形参。如果不传递任何参数，填 NULL。

代码：C 语言线程的基本使用

实际上这并不难，重点还是要演示如果传递更多的参数，已经如何获取线程的返回值。后者需要等到介绍后面的接口才能做，这里重点谈一谈前者。

我们看传递给函数指针的参数只有一个，理论上也只能传递一个。但是 void* 代表可以传递任何类型，结构体是一个类型，并且支持存储多个不同类型的参数，因此C 语言线程如何突破只能传递一个参数的限制？用结构体！

代码：C 语言线程如何突破只能传递一个参数的限制

pthread_exit–终止线程

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void pthread_exit(void *retval);

我们通过这个函数可以传递线程的返回值，即 retval 参数。然后其他线程就可以通过 pthread_join() 获取该返回值。等到我们讲完 pthread_join() 就实现获取返回值的代码。

让线程终止的方式，还要很多，下面列举：

  1. 进程终止 (比如调用 exit() ，从 main() 函数返回)，那么该进程的所有线程都会立即终止。
  2. 从线程的入口函数返回。
  3. 线程调用 pthread_exit() 。
  4. 响应 pthread_cancel() 的取消请求。

pthread_join–连接已终止的线程

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

如果我们 detach 或者 等待 线程终止，主线程可能早早结束，会导致线程没有被执行的机会，或者执行到途中异常终止，主线程结束意味着进程结束，其他线程依赖于该进程，也就随之消亡。

但它还有一个作用，就是获取返回值。

代码地址：C 语言线程获取返回值

pthread_detach–分离线程

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int pthread_detach(pthread_t thread);

有时，我们并不关心线程的返回状态，反而希望在线程终止时系统能够自动清理并移除它。在这种情况下，我们可以调用 pthread_detach() 将线程标记为处于分离（detached）状态。一旦线程处于分离状态，就不能再使用 pthread_join() 来获取其返回状态了，也无法再回到可连接（joinable）状态了。

pthread_cancel–取消线程（了解）

通常情况下，程序中的多个线程会并发执行，每个线程各司其职。 但有时候，需要取消一个线程的执行。

与 pthread_exit 只能终止本线程不同。pthread_cancel 可以由其他线程调用以显式地向目标线程发起取消请求，且 pthread_cancel 不是强制的，是一种协商机制，目标线程可以选择是否响应这次取消操作。

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int pthread_cancel(pthread_t thread);

发送取消请求后，pthread_cancel() 函数会立即返回，不会等待目标线程退出 。

目标线程会不会响应取消请求？以及何时响应？这取决于目标线程的两个属性：取消状态和取消类型。

（一）取消状态

目标线程会不会响应取消请求，是由目标线程的取消状态决定的，它有两个取值：

  • PTHREAD_CANCEL_ENABLE ：线程可以取消。这是默认值。
  • PTHREAD_CANCEL_DISABLE ：线程不可取消。如果此类线程收到取消请求，则会将取消请求挂起，直到线程的取消状态设置为启用。

下面是设置取消状态的方法：

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int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);

state ：取消状态，可取下面两个值：

  • PTHREAD_CANCEL_ENABLE ：线程可以取消。这是默认值。
  • PTHREAD_CANCEL_DISABLE ：线程不可取消。如果此类线程收到取消请求，则会将取消请求挂起，直到线程的取消状态设置为启用。

oldstate ：传出参数，用来保存以前的取消状态。

（二）取消类型

目标线程何时响应取消请求，是由目标线程的取消类型决定的，它也有两个取值：

  • PTHREAD_CANCEL_DEFERRED ：延迟响应，挂起取消请求，直到下一个取消点才响应。这是默认值。
  • PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS ：异步响应，可以在任意时间点响应取消请求 (未必是立即响应)。异步响应在实际应用中很少使用。

设置线程的取消类型：

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int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);

type ：取消类型，可取下面两个值：

  • PTHREAD_CANCEL_DEFERRED ：延迟响应，挂起取消请求，直到下一个取消点才响应。这是默认值。
  • PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS ：异步响应，可以在任意时间点响应取消请求 (未必是立即响应)。异步响应在实际应用中很少使用。

oldtype ：传出参数，用来保存以前的取消类型。

（三）取消点

若将线程的取消性状态和类型分别置为 ENABLE 和 DEFERRED（默认状态），那么只有当线程执行到某个取消点 时，取消请求才会起生效。取消点是一组函数，这些函数往往可以让线程陷入无限期的阻塞。

取消点.png

如果线程的取消类型为 DEFERRED ，当线程收到取消请求后，它会在下次抵达取消点时终止。如果该线程尚未分离，其它线程调用 pthread_join() 进行连接，会收到一个特殊的返回值 PTHREAD_CANCELED 。

（四）设置取消点

线程如果有挂起的取消请求，只要调用这个函数，线程就会终止。

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void pthread_testcancel(void);

如果线程执行的代码中不包含取消点，可以周期性地调用 pthread_testcancel() ，以确保对取消请求做出及时响应。

线程清理函数（了解）

线程收到取消请求后，会执行到下一个取消点终止。如果线程只是草草地直接终止，可能会让程序处于不一致的状态，比如：对共享变量的修改只进行了一半啦，没有释放互斥锁啦…… 这样的错误轻则导致其他线程产生错误的结果、发生死锁，重则让进程直接崩溃。

为了规避这一问题，线程可以设置一个或多个清理函数。当线程响应取消请求时，会自动执行这些清理函数。每个线程都拥有一个清理函数栈。当线程响应取消请求时，会依次执行栈中的清理函数 (从栈顶到栈底)。当执行完所有的清理函数后，线程终止。

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会将函数指针 routine 添加到清理函数栈的栈顶
void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);

从调用线程的清理函数栈的栈顶删除一个清理函数
void pthread_cleanup_pop(int execute);

线程同步

互斥锁

（一）初始化

下面有两种方式：

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pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 静态初始化，仅适用于静态变量

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

（二）上锁

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int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);	
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t* mutex, const struct timespec* abstime);

如果已经没有上锁，上面就会锁住。如果已经上锁，就会：按顺序注释

  1. 一直阻塞，直到等待的互斥量解锁
  2. 立即失败，并返回状态码 EBUSY
  3. 如果在超时时间内，调用线程没能获得互斥量的所有权，那么函数 pthread_mutex_timedlock() 会返回错误码 ETIMEDOUT

（三）释放锁

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int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

（四）销毁

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int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

只有当互斥量处于未锁定状态，且后续不再使用它时，才应将其销毁。

（五）实战

代码地址：10个线程从银行取钱

代码地址：两个银行用户互相转账

条件变量

（一）初始化

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pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 静态初始化，仅适用于静态变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond, const pthread_condattr_t* attr);

（二）等待

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int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex, const struct timespec* abstime);

pthread_cond_wait() 函数的语义如下：

  1. 释放所持有的互斥量 mutex 。
  2. 陷入阻塞状态。
  3. 当 pthread_cond_wait() 返回时，调用线程一定再一次获取了互斥量 mutex 。

如果不然，就会一直阻塞。而 pthread_cond_timedwait 可以在哪怕是在指定时间内没有满足要求，也会自动解除阻塞。

（三）唤醒

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int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);	// 唤醒一个线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);	// 唤醒多个线程

（四）销毁

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int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

当后续不再使用条件变量时，才应调用 pthread_cond_destroy() 将其销毁。

（五）实战

代码地址：阻塞队列

代码地址：生产者消费者