linux 线程

1.线程概念

进程=内核数据结构 + 进程代码和数据
我们的代码在进程中，全部都是串行调用的
进程创建，成本较高(时间和空间)，不仅需要创建PCB，页表等，还需要进行初始化,时间和空间成本高，所以多进程的目的是为了多执行流并发执行
地址空间和地址空间上的虚拟地址，本质是一种资源，一个进程的大部分资源都可以通过地址空间来访问
在内核角度，进程是承担分配系统资源的基本实体
当一个程序被执行时，操作系统会为其创建一个进程，并为该进程分配必要的系统资源，如内存空间、设备I/O等。这些资源是进程执行程序所必需的，只有被分配给进程后，才能被进程所使用。

线程是进程内部的一个执行分支，是CPU调度的基本单位，线程在进程地址空间内运行
Linux设计者认为，进程和线程都是执行流，具有极度的相似性，没必要单独设计数据结构和算法，直接复用代码，用进程模拟线程，也就是说，Linux中没有真正的线程
CPU调度时不需要区分进程和线程，都是执行流，在Linux中，所有的调度执行流都叫做轻量级进程(LWP)，OS在调度时，使用LWP来进行调度
可以用是 ps -aL 查看轻量级进程

线程优点

创建一个新线程的代价比创建一个新进程的代价小得多
与进程切换相比，线程之间的切换需要OS做的工作要少很多—CPU内存在cache，切换进程，需要将CPU内的硬件级cache数据丢弃，重新填充
线程占用的资源比进程要少很多

线程缺点

健壮性降低：健壮性主要指的是线程在并发执行过程中，面对各种问题时，能够保持其正常功能和性能的能力，编写多线程程序需要更深入的考虑
缺乏访问控制：进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。
编程难度提高：编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多

2.Linux线程和进程

• 进程是承担分配系统资源的基本实体
• 线程是CPU调度的基本单位
• 线程私有的数据：
  调度：CPU运行的上下文数据
  常规运行：独立的栈结构
• 线程在进程地址空间内运行，在同一进程的同一地址空间中，所有线程的数据区(已初始化数据区和未初始化数据区)和代码区都是共享的，定义的全局变量每个线程都可以访问到

3. Linux线程控制

• Linux中没有真正的线程，只有轻量级进程，所以Linux系统不会有线程相关的系统调用，只有轻量级进程的系统调用
• 为了用户更好使用，有了pthread库(原生线程库))，将轻量级进程系统调用进行封装，转换为线程相关接口提供给用户。不属于内核，用户级
• 要使用这些接口，需要包含头文件<pthread.h>，同时编译时指定库 -lpthread

线程创建—pthread_create

thread:输出型参数，返回线程ID
attr:设置线程的属性，默认设置为NULL即可
start_routine:参数为void*，返回值为void*的函数指针，是线程启动后执行的函数
arg:传给线程启动函数的参数

pthreads函数成功返回0，失败返回错误码

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>


void* threadrun(void*)
{
    while(true)
    {
        std::cout << "I am new thread" << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, nullptr);
    while(true)
    {
        std::cout << "I am main thread" << std::endl;
        sleep(1);
    }
    
    return 0;
}

• 获取线程ID pthread_self
• 获取线程ID: 1.创建线程时输出型参数获取 2.pthread_self

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

std::string ToHEX(pthread_t tid)
{
    char buff[128];
    snprintf(buff, sizeof(buff) - 1, "%#lx", tid);
    return buff;
}

void* threadrun(void*)
{
    while(true)
    {
        std::cout << "I am new thread, tid :" << ToHEX(pthread_self()) << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, nullptr);
    while(true)
    {
        std::cout << "I am main thread, new thread tid:" << ToHEX(tid) << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

线程等待—pthread_join

线程被创建，也需要被等待，不等待会有内存泄露的问题，同时也需要获取线程的退出信息

retval:输出型参数，为线程函数的返回值

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

std::string ToHEX(pthread_t tid)
{
    char buff[128];
    snprintf(buff, sizeof(buff) - 1, "%#lx", tid);
    return buff;
}

struct Thread
{
    Thread(pthread_t tid, const std::string& name)
        :_tid(tid), _threadName(name)
    {}
    pthread_t _tid;
    std::string _threadName;
};

void* threadrun(void* args)
{
    std::string* name = static_cast<std::string*>(args);
    int cnt = 10;
    while(cnt--)
    {
        std::cout << *name << " is running...." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return (void*)100;
}

int main()
{
    const int threadNum = 5;
    std::vector<Thread> threads;
    for (int i = 0; i < threadNum; i++)
    {
        pthread_t tid;
        std::string* name = new std::string("thread-" + std::to_string(i + 1));
        pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, name);
        threads.emplace_back(tid, *name);
    }
    void* ret;
    for (auto& thread : threads)
    {
        pthread_join(thread._tid, &ret);
        std::cout << thread._threadName << "is quit, return val: " << (long long int)ret << std::endl;
    }
    return 0;
}

线程退出

• 1. 从线程函数直接return
• 2. pthread_exit
     
     retval:退出信息

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* threadrun(void*)
{
    int cnt = 5;
    while(cnt--)
    {
        std::cout << "线程还有" << cnt << "秒退出" << std::endl;
        sleep(1);
    }
    std::string* ret = new std::string("11111111111111111111111111");
    pthread_exit(ret);
}


int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, nullptr);

    void* ret;
    pthread_join(tid, &ret);
    std::string* retval = static_cast<std::string*>(ret);
    std::cout << "thread return val: " << *retval << std::endl;

    return 0;
}

线程调用pthread_exit()终止，pthread_join()所获得的返回值为pthread_exit()的参数

• 3. 一个线程调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程保证新线程已经启动的前提下
     

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* threadrun(void*)
{
    while(true)
    {
        std::cout << "new thread running...." << std::endl;
        sleep(1);
    }
}


int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, nullptr);

    sleep(2);
    pthread_cancel(tid);

     void* ret;
     pthread_join(tid, &ret);
    
     std::cout << "thread return val: " << (long long int)ret << std::endl;

    return 0;
}

线程被取消，退出信息是-1，-1是一个宏

线程分离—pthread_detach

• 默认情况下，线程是需要被等待的，线程退出后，要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，造成资源泄露
• 如果不关心线程返回值，可以分离线程，线程退出时，自动释放资源
  分离是线程的一种工作状态，底层依旧是同一个进程，只是不需要且禁止join了