一文搞懂Linux多线程【下】

用户11173787

发布于 2024-08-20 19:37:07

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发布于 2024-08-20 19:37:07

文章被收录于专栏：破晓

在观看本博客之前，建议大家先看一文搞懂Linux多线程【上】由于上一篇博客篇幅太长，为了更好的阅读体验，我拆成了两篇博客。那么接下来，在上一篇的基础上，我们继续学习Linux信号部分。今天，我们主要学习Linux多线程控制问题。

🚩多线程代码的健壮性

一份代码写的如何，一项重要的指标就是这份代码的健壮性

我们来写一份代码：

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
using namespace std;

int g_val=0;
void* pthread_routine(void *args)
{
    while(1)
    {
         cout<<"我是新进程,我正在运行,g_val:"<< g_val++<<"  &g_val: "<<&g_val<<endl;
         int n=0;
         n=n/0;
        //  发生除零错误，
         sleep(1);
    }
   

}
int main()
{
    pthread_t tid;
    int n=pthread_create(&tid,nullptr,pthread_routine,(void *)"thread one");
    assert(n==0);
    (void)n;

    while(1)
    {
        cout<<"我是主进程,我正在运行,g_val:"<<g_val<<"   &g_val:"<<&g_val<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;

}

在新线程中，出现了除零错误。

我们发现：新线程和主线程一起被干掉了。为什么？

这是因为代码中出现了错误，操作系统堆整个进程发送信号，操作系统要回收这个进程的资源，而线程是从进程那里得到的字眼，进程都没了，线程也就没法存在了。这个进程中的所有的线程都会被终止。

举个例子：在某互联网大厂，张三是一名程序员，他所在项目组敷个某个程序的开发。有一天，张三在写代码之前干了一瓶二锅头，代码中出现了很严重的bug，张三写代码出现了问题，就是这个项目组出现了问题。公司要对这个事情做出惩罚。所以就对张三的项目组长进行了谈话和警告。这个项目组就是一个进程，项目组的每一个成员就是一个线程（轻量级进程）。成员出现了错误，自然要惩罚这个项目组。

所以：多线程的代码的健壮性非常不好，这也是线程很大的一个缺点。

🚩多线程控制

Linux多线程控制是一个很重要的部分，这其中包括线程创建，线程等待，线程替换等等话题。

🚀Linux线程创建

我们在之前讲过如何创建线程，今天，我想一次性创建多个线程。让一个进程中包括若干个执行流。并同时运行。

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
using namespace std;
void *start_routine(void *args)
{
    char *buf=static_cast<char*>(args);
    int cnt=10;
    while(cnt)
    {
        cout<<"我是新线程, "<<buf<<" cnt:"<<cnt<<endl;
        cnt--;
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        pthread_t id;
        char buffer[64];
        snprintf(buffer,sizeof buffer,"%s:%d","thread",i);
        pthread_create(&id,nullptr,start_routine,buffer);

    }
    while(1)
    {
        cout<<"我是新线程,我一直在运行"<<endl;
        sleep(1);
    }
}

我们发现：我们创建的新线程的打印信息都是thread：9 。但是我们通过命令查询到我们的确创建了多个线程。但为什么都是9号呢？

我们知道，如上的两点代码是两个不同的执行流，究竟是哪个执行流先被执行呢？不确定，这是由编译器的调度顺序决定的。但是我们的运行的结果证明是主线程先被执行。为什么？

我们在for循环中定义了一个字符串，在pthread_create循环中传入了字符串的起始地址。有没有可能这块空间里的内容在被打印之前就被修改了呢？事实证明就是如此。主线程在新线程读取字符串内容之前，先将字符串的内容进行了修改。

这种现象的背后的根本原因是：字符串是一个共享资源，被所有线程所共享。由此造成这一系列问题。

如何更改这种现象呢？

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
using namespace std;


class Threads
{
public:
    pthread_t id;
    char buffer[64];
};

void* pthread_routine(void *args)
{
    int cnt=5; 
    Threads *newThreads=static_cast<Threads *>(args); 
    while(cnt--)
    {  
         cout<<"new thread make success,name:  "<<newThreads->buffer<<" cnt:"<<cnt<<endl;    
         sleep(1);

    }
    // delete newThreads;
    // return nullptr;

}
int main()
{
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
        Threads *id=new Threads();
        snprintf(id->buffer,sizeof(id->buffer),"%s:%d","thread",  i);
        pthread_create(&id->id,nullptr,pthread_routine,id);
     
   }
    while(1)
    {
        cout<<"我是主进程,我正在运行"<<endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们顶定义一个类，每个线程被创建之初都会创建一个独立的类对象，这个类归线程所属，是私有的，所以不会出现上面的情况，关于这个类的相关数据储存在哪里，我们后面再谈。

接下来，我们就改过的代码来回答几个问题：

在这份代码中，start_routine函数被几个执行流执行呢？10个

start_routine函数处于什么状态？可重入状态。

那这个函数是可重入函数吗？是的。

这个函数内的变量是被所有的线程共享的吗？我们实验一下：

我们对打印内容做稍稍改动：

我们发现：不同的执行流的cnt地址都不同，说明每一个线程都有一个独立的栈结构。至于在什么位置，我们后面再说。

线程创建我们掌握了，那如何让线程终止呢？

🚀Linux线程终止

方法一

在线程对应的代码中，return返回，这个线程就终止了。

但是不能调用exit函数，我们说过exit是用来终止进程的，这时所有的线程都会跟着终止。

方法二

调用pthread_exit函数

该函数的作用是终止调用这个函数的线程。

参数我们默认设为nullptr。

方法三

一个跑起来的线程是可以被取消的。取消线程的函数为pthread_cancel。下面，我们简单介绍一下：

#include <pthread.h>
 int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数很简单，一看就明白

返回值：成功时返回0，失败错误码被设置。

下面，我们感受一下：

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<vector>
#include<string>
using namespace std;

class Threads
{
public:
    pthread_t id;
    char buffer[64];
};
class ThreadReturn
{
public:
     int return_result;
     int return_code;
};
void* pthread_routine(void *args)
{
    int cnt=5; 
    Threads *newThreads=static_cast<Threads *>(args); 
    while(cnt--)
    {  
         cout<<"new thread make success,name:  "<<newThreads->buffer<<endl;

         sleep(1);
     } 
     
     return (void*)123;
}
int main()
{
   vector<Threads *> iter;
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
        Threads *id=new Threads();
        snprintf(id->buffer,sizeof(id->buffer),"%s:%d","thread",  i);
        pthread_create(&id->id,nullptr,pthread_routine,id);
        iter.push_back(id);
   }
   sleep(5);
//    将创建的线程先取消一半
   for(int i=0;i<iter.size()/2;i++)
   {
          pthread_cancel(iter[i]->id);
          cout<<"pthread_cancel:"<<iter[i]->buffer<<" successful"<<endl;
   }
   for(auto &it:iter)
   {

        void *ret;
        int n = pthread_join(it->id, (void**)&ret); 
        assert(n == 0);
        cout << "join " << it->id << " successful" <<(long long)ret<< endl;
   }
   cout<<"main thread quit"<<endl;

}

如果一个线程被pthread_cancel取消，这个线程的返回值会被设为-1。

🚀Linux线程等待

线程也是需要等待的，如果不等待，会造成类似僵尸进程问题，否则会造成内存泄漏。线程必须要被等待的。等待工作需要：

获取新线程的退出信息。
回收新线程对应的PCB资源，防止内存泄漏。

所以，我们有必要且必须对线程进行等待，线程等待函数是pthread_join。下面，我们简单介绍一下这个函数。

参数：

第一个参数为：要等待的线程的thread，第二个我们先不需要了解，默认为nullptr。

返回值：

等待成功，返回0；等待失败，返回相应的错误码。

接下来，我们来试一下：

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<vector>
using namespace std;

class Threads
{
public:
    pthread_t id;
    char buffer[64];
};

void* pthread_routine(void *args)
{
    int cnt=5; 
    Threads *newThreads=static_cast<Threads *>(args); 
    while(cnt--)
    {  
         cout<<"new thread make success,name:  "<<newThreads->buffer<<" cnt:"<<cnt<<" &cnt"<<&cnt<<endl;    
         sleep(1);
     } 
     pthread_exit(nullptr);
}
int main()
{
   vector<Threads *> iter;
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
        Threads *id=new Threads();
        snprintf(id->buffer,sizeof(id->buffer),"%s:%d","thread",  i);
        pthread_create(&id->id,nullptr,pthread_routine,id);
        iter.push_back(id);
   }
   for(auto &it:iter)
   {
        int n=pthread_join(it->id,nullptr);
        assert(n==0);
        cout<<"join "<<it->id<<" successful"<<endl;
   }
   cout<<"main thread quit"<<endl;

}

运行一下：

如我们所见：所有的线程同一时间全部退出，接着主线程退出。

🚀Linux线程分离

‘’默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。
如果不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。
一个线程被分离，就不能调用pthread_join()进行线程等待。

接下来，我们简单介绍一下几个函数。

pthread_self()

       #include <pthread.h>

       pthread_t pthread_self(void);

使用起来很简单，作用就是返回调用该线程的Id。由于太简单，这里我们就不再演示了。

pthread_detech()

       #include <pthread.h>

       int pthread_detach(pthread_t thread);

参数很简单，要对哪个线程进行分离，就传入哪个线程的Id。

返回值;成功的话，返回0；失败时，错误码被设置。

接下来，我们尝试使用一下：

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<vector>
#include<string>
#include<cstring>
using namespace std;

string changeId(const pthread_t  &id)
{
     char buffer[128];
     snprintf(buffer,sizeof buffer,"0x%x",id);
     return buffer;
}
void *start_routine(void *args)
{
     pthread_detach(pthread_self());
     int cnt=5;
     while(cnt)
     {
          cout<<"new spthread running..... Id:"<< changeId(pthread_self())<<endl;
          sleep(1);
          cnt--;
     }
}
int main()
{
     pthread_t id;
     int n=pthread_create(&id,nullptr,start_routine,(void*)"thread noe");
     assert(n==0);
     (void)n;
     pthread_detach(id);
    
     sleep(5);

    
     return 0;
}

这个函数的调用原则为：一般让主线程对新线程进行分离，在主线程中进行调用。

🚩线程返回值问题

我们刚刚在讲解pthread_join()和pthread_exit()函数时，我们一般将参数设为nullptr。至于原因，我们当时没说，现在我们就来分析一下这些参数。这些参数都是输出

一切的一切都在告诉我们这个参数不简单，我们先写个代码试一下这个参数的作用。

#include<pthread.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<vector>
using namespace std;

class Threads
{
public:
    pthread_t id;
    char buffer[64];
};

void* pthread_routine(void *args)
{
    int cnt=5; 
    Threads *newThreads=static_cast<Threads *>(args); 
    while(cnt--)
    {  
         cout<<"new thread make success,name:  "<<newThreads->buffer<<endl;

         sleep(1);
     } 
     
     return (void*)123;
}
int main()
{
   vector<Threads *> iter;
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
        Threads *id=new Threads();
        snprintf(id->buffer,sizeof(id->buffer),"%s:%d","thread",  i);
        pthread_create(&id->id,nullptr,pthread_routine,id);
        iter.push_back(id);
   }
   for(auto &it:iter)
   {
     
          void *ret;
        int n=pthread_join(it->id,&ret);

        assert(n==0);
        cout<<"join "<<it->id<<" successful"<<" ret:"<<(long long)ret<<endl;
   }
   cout<<"main thread quit"<<endl;

}

我们在线程调用的函数中返回了 return (void*)123;

运行一下：

看，我们输入的123成功读取到了。我们是怎么做到的？为了方便叙述，我将相关的代码块拎出来。

请看如下图：pthread_join的第二个参数是输出型参数

在pthread库中，有一个变量存储的数据为void* 。我们将在线程函数的返回值强转成void*，存储在这个变量中，我们暂且将这个存储的数据叫做X数据。

现在，我们在代码层面同样定义了一个void*的变量ret。如何将X数据转到我们用户层面的ret中呢？办法有两种：

方案1：直接把x的值赋值给ret。因为他们都是一级指针，解引用就可以得到数据（123）。

方案2：对ret取地址，对数据X取地址，都得到二级指针，然进行赋值，再解引用得到数据（123）。

在这里，OS采用的是第二种方式。因为我们调用的是函数来获取，无法实现简单的赋值。

接下来，我们看图理解一下

大家懂的话，可以返回任意类型的数据，但是：必须是new出来的类型，因为new出来的类型不会因为出了函数空间被释放。接下来，我给大家示范一下：

来看:

成功打出来。

进程退出时，都会设置对应的退出码，线程这里为什么没有退出码呢？ 线程异常，收到信号，整个进程都会退出。

pthread_join默认就认为函数可以调用成功，不考虑异常，异常是进程应该来考虑的事情。

🚩关于Linux线程库

其实，C++也可以写多线程代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<unistd.h>
using namespace  std;

void start_routine()
{
     cout<<"我是新线程"<<endl;
     sleep(1);
}
int main()
{
     std::thread t1(start_routine);
     while(1)
     {
          cout<<"我是主线程"<<endl;
          sleep(1);
     }
     t1.join();
     return 0;

}

但是，在编译时必须指明要链接pthread库。

任何语言在Linux下使用多线程，必须使用pthread库。 c++的多线程，在Linux下，本质是对pthread库的封装。

我们遗留的问题，现在有必要搞清楚了。

我们已经确认每一个线程都有自己的独立栈结构，这个栈结构在哪里？ 我们每创建一个线程，都会有一个线程的Id，这个Id看起来是个地址，究竟是什么地址？

原生线程库中有可能会存在很多的线程，要不要对这些进行有效的管理？要，管理的方式就是先描述，再组织。相对于进程的属性，线程的属性就显得非常少，因为在进程的PCB中，有一部分属性就是线程的属性。

如图，用户每在用户层面创建一个线程，就会在pthread库中创建一个属性集数据结构，该属性集指向操作系统内的一个用户级进程。

在该属性集中一定包括线程独立栈的地址，LWP值等等。

Linux方案：用户级进程，用户关心的线程属性在库中，内核（操作系统）负责提供操作系统执行流的调度。 Linux用户级线程：轻量级进程=1:1；

用户级线程库可以当作磁盘中的一个文件（也就是一个动态库）。该线程库经过映射，可以通过mmap区域找到这个动态库。一个进程的所有线程的属性集（就是TCB结构体）都会被保存在这里。我们可以想象成一个数组。但是我们不是通过下标查找。我们创建线程返回的地址，就是对应线程的TCP在此处的起始地址，通过这个地址就可以找到这个线程私有的栈结构。

那创建一个线程，pthread库应该帮我们做哪个工作呢？帮我们在pthread库中创建线程控制块（TCB）。然后返回TCB的起始地址，便于用户对线程进行操作。属于新线程私有的数据都会存储在线程私有栈中，主线程的数据则存储在共享区中。

🚀线程的局部存储。

废话不说，上码：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <vector>
#include <string>
#include <cstring>
using namespace std;

int g_val = 100;
void *start_routine(void *args)
{
     while (1)
     {
          cout << "new  pthread running..... g_val: " << g_val << " &g_val " << &g_val << endl;
          sleep(1);
          g_val++;
     }
}
int main()
{
     pthread_t id;
     int n = pthread_create(&id, nullptr, start_routine, (void *)"thread noe");
     assert(n == 0);
     (void)n;
     while (1)
     {
          cout << "main pthread running..... g_val: " << g_val << " &g_val " << &g_val << endl;
          sleep(1);
     }
     pthread_join(id,nullptr);
     return 0;
}

全局变量被所有进程所共享，所以新线程对数据进行修改后，主线程立刻就可以读取。

接着，我们做部分代码修改

__thread int g_val = 100;

我们发现，新线程对数据进行修改，但主线程读取的数据并未改变，并且地址读取的地址也不同。

对比，我们发现，前后地址差别好大。这就是__thread的作用了。

__thread的作用是什么？在一个全局变量前加__thread，可以将一个内置类型设置为线程局部存储(就本例子而言，未添加前，数据存储在已初始化数据段；添加后，在运行时，会将数据给每个线程都拷贝一份，存储在自己的栈中，线程之间数据修改彼此互不影响。

由于存储的地址空间发生改变，空间中越往上地址越大，所以我们读取的地址理所当然的变大了。

🚩对Linux线程简单的封装

代码如下：

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <functional>
#include  <pthread.h>
// header only 开源代码

class Thread;

//上下文,当成一个大号的结构体
class Context
{
public:
    Thread *this_;
    void *args_;
public:
    Context():this_(nullptr), args_(nullptr)
    {}
    ~Context()
    {}
};

class Thread
{
public:
    // using func_t = std::function<void*(void*)>;
    typedef std::function<void*(void*)> func_t;
    const int num = 1024;
public:
    Thread(func_t func, void *args = nullptr, int number = 0): func_(func), args_(args)
    {
        // name_ = "thread-";
        // name_ += std::to_string(number);

        char buffer[num];
        snprintf(buffer, sizeof buffer, "thread-%d", number);
        name_ = buffer;

         // 异常 == if: 意料之外用异常或者if判断
        // assert: 意料之中用assert
        Context *ctx = new Context();
        ctx->this_ = this;
        ctx->args_ = args_;
        int n = pthread_create(&tid_, nullptr, start_routine, ctx); //TODO
        assert(n == 0); //编译debug的方式发布的时候存在，release方式发布，assert就不存在了，n就是一个定义了，但是没有被使用的变量
        // 在有些编译器下会有warning
        (void)n;
    }
    // 在类内创建线程，想让线程执行对应的方法，需要将方法设置成为static
    static void *start_routine(void *args) //类内成员，有缺省参数！
    {
        Context *ctx = static_cast<Context *>(args);
        void *ret = ctx->this_->run(ctx->args_);
        delete ctx;
        return ret;
        // 静态方法不能调用成员方法或者成员变量
    }

    void join()
    {
        int n = pthread_join(tid_, nullptr);
        assert(n == 0);
        (void)n;
    }

    void *run(void *args)
    {
        return func_(args);
    }

    ~Thread()
    {
        //do nothing
    }
private:
    std::string name_;
    func_t func_;
    void *args_;

    pthread_t tid_;
};

到这里，本篇内容就结束了，我们下期内容，再见！！。

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