Linux編程學習筆記 | Linux多線程學習[1] - 線程的建立和基本控制

文章系列緣由

2017年年初，我給本身定了一個小小的目標：學習Linux編程，並經過網絡來分享本身的學習心得。爲了完成這個小小的目標，我開始用經過寫文章來記錄個人學習心得，但願在年末時，我能完成24篇Linux相關的學習文檔，以實現我這個小小的目標。這是這個系列的第一篇文章，是我對最近學習Linux多線程的總結。

什麼是線程

咱們來看看維基百科是如何對線程進行定義的：

線程（英語：thread）是操做系統可以進行運算調度的最小單位。它被包含在進程之中，是進程中的實際運做單位。一條線程指的是進程中一個單一順序的控制流，一個進程中能夠並行多個線程，每條線程並行執行不一樣的任務。在Unix System V及SunOS中也被稱爲輕量進程（lightweight processes），但輕量進程更多指內核線程（kernel thread），而把用戶線程（user thread）稱爲線程。

一個進程能夠包含多個線程，這些線程有各自的調用棧(call stack)，本身的寄存器環境（register context)以及本身的線程本地存儲(thread-local storage)。每條線程都是併發執行不一樣的任務。由於還沒寫進程相關的文章，這裏我就不進一步說明進程和線程的區別了，我會在進程或者單獨的文章中說明它們的異同。

線程的生命週期

線程的四個狀態

線程在其生命週期中有四種狀態，分別是就緒、運行、阻塞和終止，下面這個表格解釋了這四種狀態：

狀態	含義
就緒	線程可以運行，可是在等待可用的處理器
運行	線程正在運行，在多核系統中，可能同時有多個線程在運行
阻塞	線程在等待處理器之外的其餘條件
終止	線程從啓動函數中返回，或者調用pthread_exit函數，或者被取消

線程能夠在必定條件下轉換其狀態，下圖顯示了線程是如何轉換其狀態的：

線程的建立

要建立線程，咱們使用 pthread_create() 這個函數，函數說明以下：

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

args:
    pthread_t *thread              : 指向新線程的線程號的指針，若是建立成功則將線程號寫回thread指向的內存空間 
    const pthread_attr_t *attr     : 指向新線程屬性的指針
    void *(*start_routine) (void *): 新線程要執行函數的地址（回調函數）
    void *arg                      : 指向新線程要執行函數的參數的指針

return: 
    線程建立的狀態，0是成功，非0失敗

每個成功建立的線程都有一個線程號，咱們能夠經過 pthread_self() 這個函數獲取調用這個函數的線程的線程號。有一點咱們須要注意，若是須要編譯 pthread_XX() 相關的函數，咱們須要在編譯時加入 -pthread 。

線程的基本控制

線程的結束

要結束一個線程，咱們一般有如下幾種方法：

方法	說明
exit()	終止整個進程，並釋放整個進程的內存空間
pthread_exit()	終止線程，但不釋放非分離線程的內存空間
pthread_cancel()	其餘線程經過信號取消當前線程

exit() 會終止整個進程，所以咱們幾乎不會使用它來結束線程。咱們經常使用 pthread_cancel() 和 pthread_exit() 函數來結束線程。這裏，咱們重點看看 pthread_exit() 這個函數:

void pthread_exit(void *retval);

args: 
    void *retval: 指向線程結束碼的指針

return:
    無

要結束一個線程，只須要在線程調用的函數中加入 pthread_exit(X) 便可，但有一點須要特別注意：若是一個線程是非分離的（默認狀況下建立的線程都是非分離）而且沒有對該線程使用 pthread_join() 的話，該線程結束後並不會釋放其內存空間。這會致使該線程變成了「殭屍線程」。「殭屍線程」會佔用大量的系統資源，所以咱們要避免「殭屍線程」的出現。

線程的鏈接

在上一部分咱們提到了 pthread_join() 這個函數，在這一節，咱們先來看看這個函數：

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

args:
    pthread_t thread: 被鏈接線程的線程號
    void **retval   : 指向一個指向被鏈接線程的返回碼的指針的指針
    
return:
    線程鏈接的狀態，0是成功，非0是失敗

當調用 pthread_join() 時，當前線程會處於阻塞狀態，直到被調用的線程結束後，當前線程纔會從新開始執行。當 pthread_join() 函數返回後，被調用線程纔算真正意義上的結束，它的內存空間也會被釋放（若是被調用線程是非分離的）。這裏有三點須要注意：

1. 被釋放的內存空間僅僅是系統空間，你必須手動清除程序分配的空間，好比 malloc() 分配的空間。

2. 一個線程只能被一個線程所鏈接。

3. 被鏈接的線程必須是非分離的，不然鏈接會出錯。

線程的分離

在上一節中，咱們在談 pthread_join() 時說到了只有非分離的線程才能使用 pthread_join() ，這節咱們就來看看什麼是線程的分離。在Linux中，一個線程要麼是可鏈接的，要麼是可分離的。當咱們建立一個線程的時候，線程默認是可鏈接的。可鏈接和可分離的線程有如下的區別：

線程類型	說明
可鏈接的線程	可以被其餘線程回收或殺死，在其被殺死前，內存空間不會自動被釋放
可分離的線程	不能被其餘線程回收或殺死，其內存空間在它終止時由系統自動釋放

咱們能夠看到，對於可鏈接的線程而而言，它不會自動釋放其內存空間。所以對於這類線程，咱們必需要配合使用 pthread_join() 函數。而對於可分離的函數，咱們就不能使用 pthread_join() 函數。
要使線程分離，咱們有兩種方法：1）經過修改線程屬性讓其成爲可分離線程；2）經過調用函數 pthread_detach() 使新的線程成爲可分離線程。
下面是 pthread_detach() 函數的說明：

int pthread_detach(pthread_t thread);

args:
    pthread_t thread: 須要分離線程的線程號

return:
    線程分離的狀態，0是成功，非0是失敗

咱們只須要提供須要分離線程的線程號，即可以使其由可鏈接的線程變爲可分離的線程。

主線程

在上面的幾節中，咱們講了線程的建立，結束和鏈接。這節咱們來看一個特殊的線程 - 主線程。
在C程序中， main(int argc, char **argv) 就是一個主線程。咱們能夠在主線程中作任何普通線程能夠作的事情，但它和通常的線程有有一個很大的區別：主線程返回或者運行結束時會致使進程的結束，而進程的結束會致使進程中全部線程的結束。爲了避免讓主線程結束全部的線程，根據咱們以前所學的知識，有這麼幾個解決辦法：

1. 不讓主線程返回或者結束（在 return 前加入 while(1) 語句）。

2. 調用 pthread_exit() 來結束主線程，當主線程 return 後，其內存空間會被釋放。

3. 在 return 前調用 pthread_join() ，這時主線程將被阻塞，直到被鏈接的線程執行結束後，才接着運行。

在這三種方法中，前兩種不多被使用，第三種是經常使用的方法。

總結

這篇文章主要介紹了線程的基本概念，線程的生命週期和狀態，線程的建立、結束、鏈接、分離以及主線程。在下一篇中，我將介紹多線程中的重點 - 同步。

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