線程式控制制

来源:https://www.cnblogs.com/songhe364826110/archive/2019/09/13/11432412.html
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[TOC] 1. 線程與進程 線程的概念 線程是進程內相對獨立的一個執行流，是進程內的一個執行單元，是操作系統中一個可調度的實體。 深入理解進程和線程 在現代操作系統中，資源分配的基本單位是進程，而CPU調度執行的基本單位是線程 進程不是調度單元，線程是進程使用CPU資源的基本單位 進程有獨立的地址 ...


目錄

1. 線程與進程

線程的概念

線程是進程內相對獨立的一個執行流，是進程內的一個執行單元，是操作系統中一個可調度的實體。

深入理解進程和線程

  • 在現代操作系統中，資源分配的基本單位是進程，而CPU調度執行的基本單位是線程
  • 進程不是調度單元，線程是進程使用CPU資源的基本單位
  • 進程有獨立的地址空間，進程中可以存在多個線程共用進程資源
  • 線程不能脫離進程單獨存在，只能依附於進程運行
  • 線程可以在不影響進程的情況下終止，但反之則不然

2. 多線程

什麼是多線程

多線程，是指從軟體或硬體層面上實現多個線程併發執行的技術。

  • 從軟體層面看，一個進程中可以有多個線程，該程式也可以稱之為多線程程式；
  • 從硬體層面看，多核處理器能夠支持在同一時間執行多個線程。

實際上，對於單核處理器，即使軟體編寫為多線程模型，同一時間也只能執行一個線程，但這並不代表此時多線程就沒有意義，因為處理器的數量不會影響程式結構，那麼多線程編程模型在程式結構上到底有哪些好處呢？

多線程模型的好處

  • 通過為每種事件類型分配單獨的處理線程，可以簡化非同步事件處理代碼
  • 可以直接共用進程的數據資源
  • 將複雜問題分解為相互獨立的任務，可以交叉進行，提高程式吞吐量
  • 通過把處理用戶輸入輸出的部分和其他部分分開，可以改善互動式程式響應時間

3. 線程標識

  • 線程ID（Thread ID）是線程的唯一標識
  • 線程ID只有在它所屬的進程上下文中才有意義
  • 線程ID類型為pthread_t，可能實現為unsigned long或結構體，依系統而定
  • 線程可以調用pthread_self獲得自身線程ID
  • 可移植的程式應該調用pthread_equal來比較兩個線程的ID
#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self();  //返回調用線程的線程ID
int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2); //相等返回非0數值，否則返回0

4. 線程創建

函數原型

任意線程可以通過調用pthread_create創建新線程，start_routine為新線程的啟動常式，創建成功後，新線程和調用線程誰先運行是不確定的。

//成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

參數說明

  • pthread_create成功返回後，tid指向記憶體即為新線程ID
  • attr用於定製線程屬性，若使用預設屬性則傳NULL
  • start_routine是線程啟動常式
  • arg是start_routine的參數，若參數不止一個，就把這些參數放到一個結構中，再把該結構的地址作為arg傳入

使用示例-列印線程ID

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

pthread_t tid;

void printf_tid(const char *s)
{
    pid_t     pid = getpid();
    pthread_t tid = pthread_self();    
       
    printf("%s pid = %d, tid = %lu(0x%lx)\n", s, pid, tid, tid);
}

void *pthread_start(void *arg)
{
    printf_tid("new thread:  "); //新線程用pthread_self()獲取自身ID，是因為新線程執行時pthread_create()可能還未返回，tid還未初始化完成
}

int main()
{     
    pthread_create(&tid, NULL, pthread_start, NULL);
    sleep(1); //調用線程休眠1S，讓新線程先執行
    printf_tid("main thread: ");
    
    return 0;
}

註意：使用pthread的代碼在編譯時需要指定鏈接-lpthread

5. 線程終止

在不影響整個進程的情況下，單個線程有三種終止方式：

  • 線上程啟動常式中調用return返回
  • 線上程啟動常式中調用pthread_exit退出
  • 被進程中的其他線程取消
void pthread_exit(void *value_ptr);

value_ptr是一個無類型指針，進程中的其他線程可以調用pthread_join訪問到這個指針。

6. 線程等待

函數原型

int pthread_join(pthread_t tid, void **value_ptr); //成功返回0，失敗返回錯誤編號

調用線程將一直阻塞，直到等待的線程以上述三種方式終止。

參數說明

  • tid表示等待的線程ID
  • value_ptr用於保存線程的退出狀態
  • 如果線程以return或pthread_exit方式終止，value_ptr指向記憶體就被設置為return或pthread_exit的參數
  • 如果線程被取消，value_ptr指向記憶體就被設置為PTHREAD_CANCELED
  • 如果不關心線程的返回值，就給value_ptr傳NULL

使用示例-獲得線程返回值

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

void *thread1_start(void *arg)
{
    int ret = 0;
    return ((void *)ret);
}

void *thread2_start(void *arg)
{
    char *ret = "thread 2 exit";
    pthread_exit(ret);
}

int main()
{     
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    void *ret;
    
    pthread_create(&tid1, NULL, thread1_start, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread2_start, NULL);
    
    pthread_join(tid1, &ret);
    printf("thread 1: %d\n", (int)ret); 
    
    pthread_join(tid2, &ret);
    printf("thread 2: %s\n", (char *)ret);
    
    return 0;
}

7. 線程分離

在預設情況下，線程的終止狀態會一直保存到對該線程調用pthread_join；但是，如果線程已經被分離，其占用的系統資源會線上程終止時被立即回收。
有兩種方式可以使線程分離：

  • 調用pthread_detach，該函數不會使調用線程阻塞
  • 修改線程屬性結構pthread_attr_t，以分離狀態創建線程

線上程被分離後，就不能再用pthread_join等待它的終止狀態了，因為對分離狀態的線程調用pthread_join會產生未定義行為。

pthread_detach

int pthread_detach(pthread_t tid); //成功返回0，失敗返回錯誤編號
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void *thread_start(void *arg)
{
    sleep(2);
    printf("new thread exit\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{     
    pthread_t tid;
 
    pthread_create(&tid, NULL, thread_start, NULL);
    pthread_detach(tid);
    
    printf("main thread: pthread_detach() return\n");
    sleep(5);
    
    return 0;
}

以分離狀態創建線程

/*4個函數的返回值：成功返回0，失敗返回錯誤編號*/

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate); 
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate); 
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);

可以調用pthread_attr_setdetachstate來設置線程的可分離狀態：

  • detachstate = PTHREAD_CREATE_DETACHED，以分離狀態啟動線程
  • detachstate = PTHREAD_CREATE_JOINABLE，以正常狀態啟動線程
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void *thread_start(void *arg)
{
    sleep(2);
    printf("new thread exit\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{     
    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;

    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);   
    pthread_create(&tid, &attr, thread_start, NULL);
    pthread_attr_destroy(&attr);
    
    printf("main thread: pthread_attr_destroy() return\n");
    sleep(5);
    
    return 0;
}

8. 線程取消

pthread_cancel

在編寫多線程代碼時，經常面臨線程安全退出問題，一般情況下，最好使用將標誌位置位的方式；
在其他線程中將標誌位置位，然後調用pthread_join等待線程退出，回收線程占用的資源。

void *thread_start(void *arg)
{
    while (!quit)
    {
        //......
    }
}

int main()
{
    quit = 1;
    pthread_join(tid, NULL);
}

但是在某些應用中，線程可能正阻塞於某個函數（如pthread_cond_wait）無法被喚醒，即使設置了標誌位也無法結束。
此時可以在其他線程中調用pthread_cancel請求取消線程，然後立即調用pthread_join等待線程退出。

int pthread_cancel(pthread_t tid); //成功返回0，失敗返回錯誤編號

tid為要取消的線程ID，需要註意的是，pthread_cancel並不等待線程終止，它僅僅是發出請求。

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

void *thread1_start(void *arg)
{
    sleep(10);
    pthread_exit(NULL);
}

void *thread2_start(void *arg)
{
    sleep(10);
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{     
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    
    pthread_create(&tid1, NULL, thread1_start, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread2_start, NULL);
    
    sleep(1);
    
    pthread_cancel(tid1);
    pthread_join(tid1, NULL);
    printf("thread 1 exit\n");
     
    sleep(1);
    
    pthread_cancel(tid2);
    pthread_join(tid2, NULL);
    printf("thread 2 exit\n");
    
    return 0;
}

線程取消屬性

線程取消有兩個屬性，分別是可取消狀態和可取消類型，這兩個屬性不在pthread_attr_t結構中，但它們影響著線程在響應取消請求時的行為。

/*
 * 可取消狀態：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（允許取消，預設屬性），PTHREAD_CANCEL_DISABLE（不允許取消，但取消請求不會丟失，而是一直處於掛起狀態）
 * 可取消類型：PTHREAD_CANCEL_DEFERRED（延遲取消，到達取消點才取消，預設屬性），PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS（非同步取消，可在任意時刻取消）
*/
int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);  //將線程可取消狀態設為state，原有可取消狀態通過oldstate返回，這兩步是原子操作
int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);     //將線程可取消類型設為type，原有可取消類型通過oldtype返回

取消點

預設情況下，線程的可取消類型為延遲取消，也就是說：被取消的線程在取消請求發出後還是繼續運行，直到到達某個取消點。
取消點是線程檢查它是否被取消的一個位置，根據《UNIX環境高級編程 第3版》P362-P363描述，POSIX.1定義的取消點和可選取消點如下。

自定義取消點

如果線程在很長一段時間內都不會調用前面兩張圖中的取消點函數，那麼可以調用pthread_testcancel線上程中添加自己的取消點。
調用pthread_testcancel時，如果有某個取消請求處於掛起狀態，且可取消狀態為ENABLE，那麼線程就會被取消。

void pthread_testcancel();

使用線程取消的風險

當線程響應取消請求而終止時，主要面臨的兩大風險：

  • 線程裡面的鎖可能沒有unlock，有可能導致死鎖
  • 線程申請的資源（如堆記憶體）沒有釋放

下麵是一段由pthread_cancel引起的死鎖範例代碼。

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

static pthread_cond_t  cond;
static pthread_mutex_t mutex;

void *thread0(void *arg)
{ 
    pthread_mutex_lock(&mutex);    
    printf("thread 0 lock sucess\n");
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //主線程發出取消請求時，thread1阻塞於slepp(2)，thread0阻塞於此取消點，導致thread0未解鎖mutex就終止
    printf("thread 0 pthread_cond_wait return\n"); 
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    
    pthread_exit(0);
}

void *thread1(void *arg)
{
    sleep(2);   
    
    printf("thread 1 start lock\n");
    pthread_mutex_lock(&mutex);       //thread0終止約1S後，thread1執行到此，由於mutex已加鎖，也沒有其他地方能夠對其解鎖，從而導致死鎖
    printf("thread 1 lock sucess\n");      
    pthread_cond_signal(&cond);    
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    
    pthread_exit(0);  
}

int main()
{     
    pthread_t tid[2];
    
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    pthread_create(&tid[0], NULL, thread0, NULL);
    pthread_create(&tid[1], NULL, thread1, NULL);

    sleep(1);  
    pthread_cancel(tid[0]);
    printf("main thread request cancel thread 0\n");

    pthread_join(tid[0], NULL);
    pthread_join(tid[1], NULL);
  
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    return 0;
}

線程清理程式

可以使用線程清理程式來解決線程取消的風險問題。線程可以安排它退出時需要調用的函數，這樣的函數稱為線程清理程式。
一個線程可以註冊多個清理程式，處理程式記錄在棧中，也就是說，它們的執行順序和註冊順序是相反的。

void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);

當線程執行以下動作時，清理程式是由pthread_cleanup_push函數調度的，調用時只有一個參數arg：

  • 調用pthread_exit結束線程
  • 響應pthread_cancel取消請求
  • 用非零execute參數調用pthread_cleanup_pop

註意：如果線程以return方式終止，線程清理程式不會被調用。

不管發生上述哪種情況，pthread_cleanup_pop都將刪除上次pthread_cleanup_push登記的線程清理程式。
這兩個函數有一個限制，由於它們經常實現為巨集，所以必須在與線程啟動常式相同的作用域中以配對的方式使用，否則，可能會產生編譯錯誤。

回到線程取消的風險問題上來，我們只需要線上程清理程式中解鎖和釋放資源，併在線程啟動常式的第一步就註冊清理程式，
這樣，當線程因響應取消請求而終止時，線程清理程式就會得以執行。

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

static pthread_cond_t  cond;
static pthread_mutex_t mutex;

void cleanup(void *arg)
{
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    printf("mutex unlock in cleanup\n");
}

void *thread0(void *arg)
{
    pthread_cleanup_push(cleanup, NULL); //註冊線程清理程式進行解鎖
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);    
    printf("thread 0 lock sucess\n");
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    //主線程發出取消請求時，thread1阻塞於slepp(2)，thread0阻塞於此取消點
    printf("thread 0 pthread_cond_wait return\n"); 
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    
    pthread_cleanup_pop(0);
    pthread_exit(0);
}

void *thread1(void *arg)
{
    sleep(2);   
    
    printf("thread 1 start lock\n");
    pthread_mutex_lock(&mutex);          //thread0終止約1S後，thread1執行到此
    printf("thread 1 lock sucess\n");      
    pthread_cond_signal(&cond);    
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    
    pthread_exit(0);  
}

int main()
{     
    pthread_t tid[2];
    
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    pthread_create(&tid[0], NULL, thread0, NULL);
    pthread_create(&tid[1], NULL, thread1, NULL);

    sleep(1);  
    pthread_cancel(tid[0]);
    printf("main thread request cancel thread 0\n");

    pthread_join(tid[0], NULL);
    pthread_join(tid[1], NULL);
  
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    return 0;
}

最後，引用一篇由pthread_cancel引起死鎖的博客https://blog.csdn.net/xsckernel/article/details/48052425，提取核心內容如下：

“通常的說法：某某函數是Cancellation Points，這種方法是容易令人混淆的。因為函數的執行是一個時間過程，而不是一個時間點。其實真正的Cancellation Points
只是在這些函數中Cancellation Type被修改為PHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS和修改回PTHREAD_CANCEL_DEFERRED中間的一段時間。”


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