【linux】系統編程-5-線程

時間 2021-01-04

標籤 html 編程緩存多線程函數線程指針 code htm 對象欄目 Linux 简体版

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前言

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7. 線程

7.1 概念

進程：進程是資源管理的最小單位html
線程：線程是程序執行的最小單位編程
由於進程開銷大，才衍生出線程緩存
- 進程切換上下文時，須要從新映射虛擬地址空間、進出OS內核、寄存器切換，還會干擾處理器的緩存機制
一個進程至少須要一個線程做爲它的指令執行體，進程管理着資源（好比cpu、內存、文件等等），而將線程分配到某個cpu上執行多線程
新的執行線程將擁有本身的棧，但與它的建立者共享全局變量、文件描述符、信號處理函數和當前目錄狀態函數
特色：線程
- 一個程序至少有一個進程，一個進程至少有一個線程
- 線程使用進程的資源，進程崩潰，線程也隨之崩潰
- 線程切換上下文快，進程切換上下文慢
使用 pthread_create 建立線程指針
使用 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 函數來銷燬一個線程屬性對象code
使用 pthread_attr_init() 函數能夠初始化線程對象的屬性htm
使用 pthread_join() 等待線程結束對象
使用 pthread_detach() 來設置線程爲分離狀態

7.2 建立線程

7.2.1 pthread_create()

使用 pthread_create 建立線程
經過命令 man 瞭解更多
所須要的頭文件：
```
#include <pthread.h>
```
函數原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
- thread：指向線程標識符的指針
- attr：設置線程屬性
- start_routine：函數指針，線程入口
- arg：傳給線程入口函數的參數

7.3 設置線程屬性

線程屬性結構體 pthread_attr_t：

typedef struct{
    int                   etachstate;      //線程的分離狀態
    int                   schedpolicy;     //線程調度策略
    structsched_param     schedparam;      //線程的調度參數
    int                   inheritsched;    //線程的繼承性
    int                   scope;           //線程的做用域
    size_t                guardsize;       //線程棧末尾的警惕緩衝區大小
    int                   stackaddr_set;   //線程的棧設置
    void*                 stackaddr;       //線程棧的位置
    size_t                stacksize;       //線程棧的大小
}pthread_attr_t;

注意：
- 由於 pthread 並不是 Linux 系統的默認庫，而是 POSIX線程庫。在Linux中將其做爲一個庫來使用，所以編譯時須要加上-lpthread（或-pthread）以顯式指定連接該庫
- 函數在執行錯誤時，並不把錯誤信息寫到變量 error 中，而是做爲返回值返回
線程屬性不能直接設置，只能經過函數操做
線程屬性包括：做用域（scope）、棧大小（stacksize）、棧地址（stackaddress）、優先級（priority）、分離的狀態（detachedstate）、調度策略和參數（scheduling policy and parameters）
線程的默認屬性：非綁定、非分離、1M的堆棧大小、與父進程一樣級別的優先級
API：

API	說明
pthread_attr_init()	初始化一個線程對象的屬性
pthread_attr_destroy()	銷燬一個線程屬性對象
pthread_attr_getaffinity_np()	獲取線程間的CPU親緣性
pthread_attr_setaffinity_np()	設置線程的CPU親緣性
pthread_attr_getdetachstate()	獲取線程分離狀態屬性
pthread_attr_setdetachstate()	修改線程分離狀態屬性
pthread_attr_getguardsize()	獲取線程的棧保護區大小
pthread_attr_setguardsize()	設置線程的棧保護區大小
pthread_attr_getscope()	獲取線程的做用域
pthread_attr_setscope()	設置線程的做用域
pthread_attr_getstack()	獲取線程的堆棧信息（棧地址和棧大小）
pthread_attr_setstack()	設置線程堆棧區
pthread_attr_getstacksize()	獲取線程堆棧大小
pthread_attr_setstacksize()	設置線程堆棧大小
pthread_attr_getschedpolicy()	獲取線程的調度策略
pthread_attr_setschedpolicy()	設置線程的調度策略
pthread_attr_setschedparam()	獲取線程的調度優先級
pthread_attr_getschedparam()	設置線程的調度優先級
pthread_attr_getinheritsched()	獲取線程是否繼承調度屬性
pthread_attr_getinheritsched()	設置線程是否繼承調度屬性

7.3.1 pthread_attr_init()

使用 pthread_attr_init 初始化線程對象屬性
經過命令 man 瞭解更多
所須要的頭文件：
```
#include <pthread.h>
```
函數原型：int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
- attr：指向一個線程屬性的指針
- 返回：
  - 成功：返回 0
  - 失敗：返回非 0

7.3.2 銷燬一個線程屬性對象

使用 int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 函數來銷燬一個線程屬性對象
- attr：指向一個線程屬性的指針
- 返回：
  - 成功：返回 0
  - 失敗：返回錯誤碼

7.3.3 線程的分離狀態

在任何一個時間點上，線程是可結合的（joinable），或者是分離的（detached）
- 可結合的線程：可以被其餘線程收回其資源和殺死；在被其餘線程回收以前，它的存儲器資源（如棧）是不釋放的
- 分離的線程：不能被其餘線程回收或殺死的，它的存儲器資源在它終止時由系統自動釋放
線程的分離狀態決定一個線程以什麼樣的方式來終止本身
默認狀態下是 非分離狀態
函數：
- int pthread_join(pthread_t tid, void **rval_ptr)；
  - 等待某個線程的終止，得到該線程的終止狀態，並收回所佔的資源
  - - tid：線程標識符
  - rval_ptr設置爲NULL，則忽略返回狀態
- int pthread_detach(pthread_t tid)；
  - 將線程設置爲分離狀態
  - 頭文件：#include <pthread.h>
  - tid：線程標識符
  - 返回：
    - 成功：返回 0
    - 失敗：返回一個錯誤值：
      - EINVAL：tid 對應的線程不是一個非分離的線程
      - ESRCH：找不到對應的線程
在非分離狀態下：
- 原有線程等待建立的線程結束，只有當 pthread_join() 函數放回時，建立的線程纔算真正終止
在分離狀態下：
- 該線程沒有被其餘的線程所等待，本身運行結束了，線程也就終止了，立刻釋放系統資源
若是在建立線程時就知道不須要了解線程的終止狀態，則能夠 pthread_attr_t 結構中的 detachstate 線程屬性，讓線程以分離狀態啓動
- 使用 pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate） 函數來設置線程分離狀態
  - attr：指向一個線程屬性的指針
  - detachstate：
    - PTHREAD_CREATE_DETACHED：分離線程
    - PTHREAD _CREATE_JOINABLE：非分離線程
獲取某個線程的分離狀態
- 使用 int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate); 函數獲取線程的分離狀態
- attr：指向一個線程屬性的指針
- detachstate：保存狀態的值
- 返回：
  - 成功：返回 0
  - 失敗：返回錯誤碼
注意：
- 若是設置一個線程爲分離線程，而這個線程運行又很是快，它極可能在 pthread_create 函數返回以前就終止了，它終止之後就可能將線程號和系統資源移交給其餘的線程使用，這樣調用 pthread_create 的線程就獲得了錯誤的線程號。要避免這種狀況能夠採起必定的同步措施，最簡單的方法之一是能夠在被建立的線程裏調用 pthread_cond_timewait 函數，讓這個線程等待一下子，留出足夠的時間讓函數 pthread_create 返回。設置一段等待時間，是在多線程編程裏經常使用的方法。可是注意不要使用諸如 wait() 之類的函數，它們是使整個進程睡眠，並不能解決線程同步的問題。

7.3.4 線程的調度策略

POSIX 標準指定了三種調度策略：
1. 普通線程（默認）SCHED_OTHER。採用時分調度策略，不須要實時機制。另外兩種用於超級用戶權限時運行。
2. 實時線程SCHDE_FIFO。採用實時調度-先進先出方式策略。一旦佔用cpu則一直運行，直到有更高優先級任務到達或本身放棄。
3. 輪詢調度SCHED_RR。採用實時調度-時間片輪轉方式調度策略。當任務的時間片用完，系統將從新分配時間片，並置於就緒隊列尾。放在隊列尾保證了全部具備相同優先級的RR任務的調度公平。因此說SCHED_RR=SCHED_OTHER+SCHDE_FIFO。
與調度相關的API
- 參數說明：
  - attr：指向一個線程屬性的指針。
  - inheritsched：線程是否繼承調度屬性，可選值分別爲
    - PTHREAD_INHERIT_SCHED：調度屬性將繼承於建立的線程，attr中設置的調度屬性將被忽略。
    - PTHREAD_EXPLICIT_SCHED：調度屬性將被設置爲attr中指定的屬性值。
  - policy：可選值爲線程的三種調度策略
    - SCHED_OTHER
    - SCHED_FIFO
    - SCHED_RR
```
int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr, int inheritsched);
int pthread_attr_getinheritsched(const pthread_attr_t *attr, int *inheritsched);

int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);
int pthread_attr_getschedpolicy(const pthread_attr_t *attr, int *policy);
```

7.3.5 線程優先級

SCHED_OTHER調度時
- 靜態優先級必須置爲 0
- 處於靜態優先級爲 0 的線程按照動態優先級被調度
- 動態優先級值起始於 nice 值，且當前線程處於就緒態並被調度器無視時，其動態值++，以保證競爭CPU的公平性

線程優先級的設置（靜態優先級）（SCHED_FIFO和SCHED_RR）

經過如下函數來得到線程能夠設置的最高和最低優先級（不支持SCHED_OTHER）

int sched_get_priority_max(int policy);
int sched_get_priority_min(int policy);

經過如下兩個函數來設置和獲取優先級

int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param);
int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);

線程優先級特色
- 新線程的優先級默認爲 0
- 新線程不繼承父線程調度優先級（PTHREAD_EXPLICIT_SCHED)
- 當線程的調度策略爲SCHED_OTHER時，不容許修改線程優先級，僅當調度策略爲實時（即SCHED_FIFO或SCHED_RR）時纔有效，並能夠在運行時經過pthread_setschedparam()函數來改變，默認爲0。

7.3.6 線程棧

線程棧：
- 用於存放函數形參、局部變量、線程切換現場寄存器等數據。
- 使用的是進程的地址空間，默認線程棧大小是 1M
- 設置和獲取線程大小可使用一下函數
```
int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstacksize(const pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);
```