Linux 系统编程 学习：09-线程：线程的创建、回收与取消

Linux 系统编程 学习：09-线程：线程的创建、回收与取消

背景

我们在此之前完成了 有关进程的学习。从这一讲开始我们学习线程。

完全的开发可以参考：《多线程编程指南》

在Linux 系统编程 学习：有关概念中，我们介绍了线程和进程的概念。

概念

基础概念：

• 线程是cpu或操作系统调度的基本单位。线程大部分的资源是共享的，仅仅申请了自己的栈、空间。
• 线程是进程内部的一个执行分支，线程量级很小。
• 在程序中创建线程，可以提高效率，进程内线程越多，争夺到CPU的概率就越大，执行代码的概率就越大（有一个度）。
• 线程可以解决很多问题，而不会像进程一样有那么多的开销。
• 在线程中需要注意同步的问题。一个线程的bug很可能会引起该进程的崩溃。

线程与进程的内存分布不同：

• 每个进程在创建的时候都申请了新的内存空间以存储代码段\数据段\BSS段\堆\栈空间，并且这些的空间的初始化值是父进程空间的,父子进程在创建后不能互访资源。
• 而每个新创建的线程则仅仅申请了自己的栈、空间；与同进程的其他线程共享该进程的其他数据空间包括代码段\数据段\BSS段\堆以及打开的库、mmap映射的文件与共享的空间，使得同进程下的线程共享数据十分的方便，只需借助这些共享区域即可，但也有问题即是同步问题。

线程开发基本步骤

在接下来的开发中，我们会介绍有关的函数；

所有线程是在<pthread.h>中，且编译时需要链接pthread库；下面不再说明。
同时，如果没有特殊说明，所有的函数在失败时都返回错误号（error number）。

线程的创建、回收与取消

创建线程

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

描述：创建一个线程，线程创建成功以后，开始执行指定的函数。

默认情况下，一个线程所使用的内存资源在应用pthread_join调用之前不会被重新分配，所以对于每个线程必须调用一次pthread_join函数（分离线程除外）。

参数解析：

thread：存放线程ID号的对象

attr：创建线程时设置的有关属性，可为空（这里先略过，我们会在后面专门讲到）

start_routine：线程执行的函数入口

arg：执行函数时附带的参数，可为空

返回值：成功返回0，从thread可以获取到线程ID；失败返回错误号。

回收线程

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

描述：阻塞等待一个线程，并回收其资源。

默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需对其进行pthread_join操作。

如果不关心线程的返回值，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源（后面我们会讲到）

参数解析：

thread：指定等待的线程号

retval：非空时，获取由pthread_exit(void *retval);函数传过来的结果。

返回值：成功返回0，失败返回error number。

提出一个终止线程的请求

int pthread_cancel(pthread_t thread);

描述：一般情况下，线程在其主体函数退出的时候会自动终止，但同时也可以因为接收到另一个线程发来的终止（取消）请求而强制终止。

同一进程的线程间，pthread_cancel向另一线程发终止信号。如何处理Cancel信号则由目标线程自己决定：忽略、立即终止、继续运行至Cancelation-point（取消点），由不同的Cancelation状态（pthread_setcancelstate函数设置状态）决定。

被取消线程可以调用pthread_testcancel，让内核去检测是否需要取消当前线程。被取消的线程退出时总是返回-1（常数值PTHREAD_CANCELED）。

如果在取消功能处处于禁用状态下调用pthread_testcancel()，则该函数不起作用。 请务必仅在线程取消线程操作安全的序列中插入pthread_testcancel()。除通过pthread_testcancel()调用以编程方式建立的取消点意外，pthread标准还指定了几个取消点。测试退出点,就是测试cancel信号

返回值： 发送成功返回0（不意味着thread会终止）；失败返回错误号。

一个取消线程的例程

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

void *thread_fun(void *arg)
{
    int i=1;
    printf("thread start \n");
    while(1)
    {
        // pthread_testcancel(); 如果没有这句话，那么线程不会结束。
        i++;
    }
    return (void *)0;
}

int main(int argc, char* argv)
{
    void *ret = NULL;
    int iret = 0;
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, NULL);
    sleep(1);
    pthread_cancel(tid);//取消线程
    pthread_join(tid, &ret);
    printf("thread 3 exit code %d\n", (int)ret);
    return 0;
}

线程取消

线程在收到取消请求(pthread_cancel)后会继续运行，直到到达某个取消点(CancellationPoint)。

取消点：线程检查是否被取消并按照请求进行动作的一个位置。

pthreads标准指定了几个取消点，其中包括：
(1)通过pthread_testcancel调用以编程方式建立线程取消点。
(2)线程等待pthread_cond_wait或pthread_cond_timewait()中的特定条件。 （错误的程序设计可能会在取消时导致死锁）
(3)被sigwait()阻塞的函数
(4)一些标准的库调用。通常，这些调用包括线程可基于阻塞的函数。

设置一个线程能否被取消

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)

描述：设置一个线程能否被取消

参数解析：

state： 状态

• PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省动作，收到信号后设为CANCLED状态）
• PTHREAD_CANCEL_DISABLE（忽略CANCEL信号继续运行）

old_state: 旧状态容器，如果不为 NULL则存入原来的Cancel状态。

设置本线程取消动作的执行时机

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)

描述：设置本线程取消动作的执行时机（仅当Cancel状态为Enable时有效）

参数解析：

type ： 取消类型

• PTHREAD_CANCEL_DEFFERED （默认，收到信号后继续运行至下一个取消点再退出）
• PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS， （立即执行取消动作——退出）

oldtype ： 旧状态容器，如果不为NULL则存入运来的取消动作类型值。

手动创建取消点

void pthread_testcancel(void)

描述： 手动创建一个取消点，但线程设置了PTHREAD_CANCEL_ENABLE与PTHREAD_CANCEL_DEFFERED 属性，且已经有线程发送了取消本线程的请求时，退出；否则直接返回。

注意：由于此函数在线程内执行，执行的位置就是线程退出的位置，所以在执行此函数以前，线程内部的相关资源申请一定要释放掉，很容易造成内存泄露

总结：
1）线程可以调用pthread_setcancelstate()设置被取消的，或者不能被取消的
2）线程的取消的本质是处理取消信号
3）取消线程可以马上进行的，也可以在取消点才取消 （pthread_setcanceltype()）

若是在整个程序退出时，要终止各个线程，应该在成功发送 CANCEL 指令后，使用 pthread_join 函数， 等待指定的线程已经完全退出以后， 再继续执行； 否则，很容易产生 “段错误”。

线程遗嘱

遗嘱机制一般用于释放一些资源，比如释放锁，以免其它的线程永远 也不能获得锁，而造成死锁。

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

登记执行压栈清理函数

void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);

描述：登记执行压栈清理函数的操作。

参数解析：

routine：清理函数

arg：清理函数的有关参数

当以下描述的情况发生时自动调用的函数：

• 线程调用pthread_exit()函数，而不是直接return.
• 响应取消请求时，也就是有其它的线程对该线程调用pthread_cancel()函数而到达取消条件时。
• 本线程调用pthread_cleanup_pop()函数，并且其参数非0。

从栈中删除清理函数的操作

void pthread_cleanup_pop(int execute);

描述：从栈中删除清理函数的操作。

参数解析：

execute：标志位，当其非0时，执行pthread_cleanup_push中登记好的函数；否则，将其出栈，不执行。

例程

2条线程使用互斥锁（后面会讲到）抢占一个资源，当占有锁的其中一个线程被意外中断时之前写好了释放锁的遗嘱，另外一条能够正常拿到锁。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex_x=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void clean_handler(void *arg)
{
    pthread_mutex_unlock((pthread_mutex_t *)arg); // 防止死锁，所以在这里添加解锁操作
    printf("unlocked from clean_handler push by thread_fun1\n");
}

void *thread_fun1(void *arg)
{
    int i=1;
    printf("thread1 start \n");
    pthread_cleanup_push(clean_handler, &mutex_x);//提前登记线程被取消后需要处理的事情
    pthread_mutex_lock(&mutex_x);
    printf("thread_fun1 locked.\n");
    while(1)
    {
        pthread_testcancel(); //如果没有这句话，那么线程不会结束。
        i++;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex_x);
    printf("thread_fun1 unlocked\n");
    pthread_cleanup_pop(0);
    return (void *)0;
}


void *thread_fun2(void *arg)
{
    int i=1;
    printf("thread2 start \n");
    for (i = 0; i < 6; ++i)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_x);
        printf("thread_fun2 locked.\n");
        sleep(1);
        pthread_mutex_unlock(&mutex_x);
        printf("thread_fun2 unlocked\n");
    }
    printf("thread2 end \n");
    return (void *)0;
}

int main(int argc, char* argv)
{
    void *ret = NULL;
    int iret = 0;
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun2, NULL);
    sleep(2);
    pthread_cancel(tid1);//取消线程
    pthread_join(tid1, &ret);

    iret =(int)( (int*)ret);
    printf("thread 3 exit code %d\n", iret);
    while(1);
    return 0;
}