線程,筆記

線程創建

1．1 線程與進程

相對進程而言，線程是一個更加接近於執行體的概念，它可以與同進程中的其他線程共享數據，但擁有自己的棧空間，擁有獨立的執行序列。在串行程序基礎上引入線程和進程是爲了提高程序的併發度，從而提高程序運行效率和響應時間。

線程和進程在使用上各有優缺點：線程執行開銷小，但不利於資源的管理和保護；而進程正相反。同時，線程適合於在SMP機器上運行，而進程則可以跨機器遷移。

1．2 創建線程

POSIX通過pthread_create()函數創建線程，API定義如下：

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

與fork()調用創建一個進程的方法不同，pthread_create()創建的線程並不具備與主線程（即調用pthread_create()的線 程）同樣的執行序列，而是使其運行start_routine(arg)函數。thread返回創建的線程ID，而attr是創建線程時設置的線程屬性 （見下）。pthread_create()的返回值表示線程創建是否成功。儘管arg是void *類型的變量，但它同樣可以作爲任意類型的參數傳給start_routine()函數；同時，start_routine()可以返回一個void *類型的返回值，而這個返回值也可以是其他類型，並由pthread_join()獲取.

1．3 線程創建屬性

pthread_create()中的attr參數是一個結構指針，結構中的元素分別對應着新線程的運行屬性，主要包括以下幾項：

__detachstate，表示新線程是否與進程中其他線程脫離同步，如果置位則新線程不能用pthread_join()來同步，且在退出時自行釋放 所佔用的資源。缺省爲PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。這個屬性也可以在線程創建並運行以後用pthread_detach()來設 置，而一旦設置爲PTHREAD_CREATE_DETACH狀態（不論是創建時設置還是運行時設置）則不能再恢復到 PTHREAD_CREATE_JOINABLE狀態。

__schedpolicy，表示新線程的調度策略，主要包括SCHED_OTHER（正常、非實時）、SCHED_RR（實時、輪轉法）和 SCHED_FIFO（實時、先入先出）三種，缺省爲SCHED_OTHER，後兩種調度策略僅對超級用戶有效。運行時可以用過 pthread_setschedparam()來改變。

__schedparam， 一個struct sched_param結構，目前僅有一個sched_priority整型變量表示線程的運行優先級。這個參數僅當調度策略爲實時（即SCHED_RR 或SCHED_FIFO）時纔有效，並可以在運行時通過pthread_setschedparam()函數來改變，缺省爲0。

__inheritsched，有兩種值可供選擇：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED和PTHREAD_INHERIT_SCHED，前者表 示新線程使用顯式指定調度策略和調度參數（即attr中的值），而後者表示繼承調用者線程的值。缺省爲PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

__scope，表示線程間競爭CPU的範圍，也就是說線程優先級的有效範圍。POSIX的標準中定義了兩個 值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示與系統中所有線程一起競爭CPU時間，後者表示僅 與同進程中的線程競爭CPU。目前LinuxThreads僅實現了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。

pthread_attr_t結構中還有一些值，但不使用pthread_create()來設置。

爲了設置這些屬性，POSIX定義了一系列屬性設置函數，包括pthread_attr_init()、pthread_attr_destroy()和與各個屬性相關的pthread_attr_get---/pthread_attr_set---函數。

1．4 線程創建的Linux實現

我 們知道，Linux的線程實現是在覈外進行的，核內提供的是創建進程的接口do_fork()。內核提供了兩個系統調用__clone()和 fork()，最終都用不同的參數調用do_fork()核內API。當然，要想實現線程，沒有核心對多進程（其實是輕量級進程）共享數據段的支持是不行 的，因此，do_fork()提供了很多參數，包括CLONE_VM（共享內存空間）、CLONE_FS（共享文件系統信息）、 CLONE_FILES（共享文件描述符表）、CLONE_SIGHAND（共享信號句柄表）和CLONE_PID（共享進程ID，僅對核內進程，即0號 進程有效）。當使用fork系統調用時，內核調用do_fork()不使用任何共享屬性，進程擁有獨立的運行環境，而使用 pthread_create()來創建線程時,則最終設置了所有這些屬性來調用__clone()，而這些參數又全部傳給核內的do_fork()，從 而創建的"進程"擁有共享的運行環境，只有棧是獨立的，由__clone()傳入。

Linux線程在覈內是以輕量級進程的形式存在的，擁有獨立的進程表項，而所有的創建、同步、刪除等操作都在覈外pthread庫中進行。pthread 庫使用一個管理線程（__pthread_manager()，每個進程獨立且唯一）來管理線程的創建和終止，爲線程分配線程ID，發送線程相關的信號 （比如Cancel），而主線程（pthread_create()）的調用者則通過管道將請求信息傳給管理線程。

線程取消

2．1 線程取消的定義

一般情況下，線程在其主體函數退出的時候會自動終止，但同時也可以因爲接收到另一個線程發來的終止（取消）請求而強制終止。

2．2 線程取消的語義

線程取消的方法是向目標線程發Cancel信號，但如何處理Cancel信號則由目標線程自己決定，或者忽略、或者立即終止、或者繼續運行至Cancelation-point（取消點），由不同的Cancelation狀態決定。

線程接收到CANCEL信號的缺省處理（即pthread_create()創建線程的缺省狀態）是繼續運行至取消點，也就是說設置一個CANCELED狀態，線程繼續運行，只有運行至Cancelation-point的時候纔會退出。

2．3 取消點

根 據POSIX標準，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、 pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數以及read()、write()等會引起阻塞的系 統調用都是Cancelation-point，而其他pthread函數都不會引起Cancelation動作。但是pthread_cancel的手 冊頁聲稱，由於LinuxThread庫與C庫結合得不好，因而目前C庫函數都不是Cancelation-point；但CANCEL信號會使線程從阻 塞的系統調用中退出，並置EINTR錯誤碼，因此可以在需要作爲Cancelation-point的系統調用前後調用 pthread_testcancel()，從而達到POSIX標準所要求的目標，即如下代碼段：

pthread_testcancel();
    retcode = read(fd, buffer, length);
    pthread_testcancel();

2．4 程序設計方面的考慮

如果線程處於無限循環中，且循環體內沒有執行至取消點的必然路徑，則線程無法由外部其他線程的取消請求而終止。因此在這樣的循環體的必經路徑上應該加入pthread_testcancel()調用。

2．5 與線程取消相關的pthread函數

int pthread_cancel(pthread_t thread)
發送終止信號給thread線程，如果成功則返回0，否則爲非0值。發送成功並不意味着thread會終止。

int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate)
設置本線程對Cancel信號的反應，state有兩種值：PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省）和 PTHREAD_CANCEL_DISABLE，分別表示收到信號後設爲CANCLED狀態和忽略CANCEL信號繼續運行；old_state如果不爲 NULL則存入原來的Cancel狀態以便恢復。

int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype)
設置本線程取消動作的執行時機，type由兩種取值：PTHREAD_CANCEL_DEFFERED和 PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS，僅當Cancel狀態爲Enable時有效，分別表示收到信號後繼續運行至下一個取消點再退出和 立即執行取消動作（退出）；oldtype如果不爲NULL則存入運來的取消動作類型值。

void pthread_testcancel(void)
檢查本線程是否處於Canceld狀態，如果是，則進行取消動作，否則直接返回。

   一個實例的分析：

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

pthread_t pid[3];

void* thread_run_1(void* arg){
    cout<<"Now in the thread 1"<<endl;

    int sum = 0;

    int state, oldstate;

    state = PTHREAD_CANCEL_DEFERRED;
    pthread_setcancelstate(state, &oldstate);

    cout<<"oldstate is "<<(state == oldstate? "Deferred":"Async")<<endl;

    //耗時間的循環
    for (int i = 1; i<=INT_MAX; ++i);
  
    cout<<"before testcancel"<<endl;
    pthread_testcancel();

    cout<<"after testcancel"<<endl;

    cout<<"thread 1 done!"<<endl;

}

void* thread_run_2(void* arg){
    cout<<"Now in the thread 2"<<endl;
    pthread_cancel(pid[1]);
    sleep(2);
    cout<<"thread 2 done!"<<endl;
}

int main(){
    pid[0] = pthread_self();
    if (pthread_create(&pid[1],NULL,thread_run_1,NULL) != 0){
        cout<<"error create thread 1"<<endl;
        return -1;
    }
    if (pthread_create(&pid[2],NULL,thread_run_2,NULL) != 0){
        cout<<"error create thread 2"<<endl;
        return -1;
    }

    sleep(5);

    cout<<"Main thread done!"<<endl;
}

在這個程序中，我們在main線程中生成兩個線程:thread1和thread2，並使用一個全局數組pid來保存線程的id。在這個程序中，我們在thread2中執行取消其他線程的操作。

運行結果如下：
[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
Now in the thread 2
thread 2 done!
Main thread done!
[antony@localhost src]$

thread1後面幾個輸出都沒有進行，可以看到是確實的被thread2取消了。

下面進行進一步的討論：
1、很明顯，thread1並沒有運行到pthread_testcancel所指示的地方，我估計上是在cout函數中存在取消點。可以增加thread1的循環次數，例如：

cout<<"before testcancel"<<endl;

for (int i = 0; i<INT_MAX;++i)
    for(int j = 0; j<INT_MAX; ++j);

運 行結果並沒有什麼不同，經測試pthread_cancel()函數也沒有返回出錯值。因此上，我們可以知道，pthread_cancel函數是非阻塞 函數，這個程序運行的過程中應該發生了這樣的事情：thread2提請內核cancel掉thread1，然後thread2自己結束返回，之後經過一段 時間的調度，main thread得到了運行機會，輸出Main thread done!後main thread結束，然後整個進程結束，thread1隨着整個進程被殺掉。

實際上，我們在這個測試中並沒有測試到 pthread_testcancel函數，如果我們把main thread中sleep的時間增加，就可以使得程序運行到thread1的pthread_testcancel()處。如果thread1確實被取消 了，則“after testcancel”不會被輸出。

爲了在main thread中確保thread1返回，我們使用pthread_join函數來阻塞整個程序直到thread1返回，這個函數的用法稍後繼續說明。

在main函數中修改下列語句：

pthread_join(pid[1],NULL);

這樣，main函數的結束標誌着thread1必然已經結束。爲了使得等待的時間不要太長（循環INT_MAX次足夠你睡一個午覺了）建議把thread1中的循環次數改小一點，具體的根據你的機器而定，只要運行時間超過2-3秒就足夠了，我把它設置成大約1e9。

編譯運行結果：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
before testcancel
Now in the thread 2
thread 2 done!
Main thread done!
[antony@localhost src]$

這樣的結果，我們可以看到，thread1運行到pthread_testcancel處被取消而返回main線程，從而後面的輸出都沒有完成。

2、可能有人奇怪爲什麼main函數中要有sleep(5)，不妨去掉這行代碼運行一下：

編譯運行結果：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Main thread done!
[antony@localhost src]$

其他線程還沒有得到運行機會就終止了，因爲main thread結束之後，整個進程也就結束了，並不等待所有線程都完成。

3、如果我們取消main線程，會發生什麼事情呢？
把thread2中的pthread_cancel函數的參數稍微改一下，改成pid[0]，編譯運行的結果如下：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
before testcancel
Now in the thread 2
thread 2 done!
after testcancel
thread 1 done!
[antony@localhost src]$


main線程被我們順利取消了！在thread1運行結束之後，整個進程結束。
如果我們在取消main線程之前，取消掉thread1，也就是：

pthread_cancel(pid[1]);
pthread_cancel(pid[0]);

編譯運行結果如下：

[antony@localhost src]$ g++ cancel_thread.cpp -lpthread
[antony@localhost src]$ ./a.out
Now in the thread 1
oldstate is Deferred
before testcancel
Now in the thread 2
thread 2 done!
[antony@localhost src]$

需要說明的是，在thread2結束之後，整個進程並沒有馬上結束，而是等到thread1運行到pthread_cancel之後才結束的。取消thread1的命令並沒有隨着main線程的結束而結束。

總結一下這個對這個實例的研究：

pthread_cancel()函數並不阻塞，在向內核發出取消某個線程的信號之後立刻返回調用線程。

pthread_cancel()的信號並不會隨着main線程狀態的改變而改變，這個信號是直接與內核相連的。

對於一個多線程程序而言，以下兩種情況都會導致其終止：
    a) main線程正常結束，則進程不管其他線程的情況，馬上結束（也有可能是給其他線程發了終止信號，這個問題留待我研究信號的時候進一步討論）
    b) main線程被其他線程取消，則等待所有線程結束（關於“所有”，我增加了一個thread3測試過了。）