Linux中的线程（一）-- 线程的创建

2023-11-08

什么是线程？

Linux 中的线程被称为“轻量级进程”（Lightweight Process，LWP），它是在进程内部运行的一种“子进程”。与传统的进程不同，线程共享相同的虚拟地址空间和其他资源，例如打开的文件、信号处理程序和用户 ID 等。

线程具有哪些特点

轻量级：
因为线程与父进程共享资源，所以创建和销毁线程的开销要比创建和销毁进程的开销要小得多。
调度：
Linux 线程是由内核进行调度的，线程的调度是基于调度策略和优先级来完成的。常见的调度策略包括 Round Robin、FIFO 和实时调度等。
同步：
由于线程共享同一进程的地址空间，所以线程之间可以通过共享变量进行通信。Linux 提供了许多同步机制，例如信号量、互斥量和条件变量等，以确保线程之间的同步和互斥。
线程安全：
Linux 系统提供了一些线程安全的库和函数，例如 pthread 库，这些库和函数可以在多线程程序中使用，避免竞态条件和其他线程安全问题。
调试：
Linux 系统提供了一些工具来调试多线程程序，例如 gdb 调试器和 strace 工具。

线程与进程有什么区别

简单的说，进程是程序资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位。

资源共享：
进程是系统分配资源的基本单位，每个进程都有自己独立的地址空间、文件描述符、信号处理等资源，不同进程之间的资源不共享。而线程则共享同一个进程的地址空间和资源，它们之间可以相互访问共享变量，共享同一进程的文件和打开的网络连接等。
创建销毁开销：
创建和销毁进程的开销比创建和销毁线程的开销要大。因为每个进程都有自己独立的地址空间和系统资源，创建一个新的进程需要操作系统分配新的内存空间、建立内核数据结构等，而线程则共享其所属进程的资源，因此创建和销毁线程的开销要比创建和销毁进程的开销要小得多。
上下文切换：
线程之间的上下文切换比进程之间的上下文切换要快得多。因为线程共享相同的地址空间和资源，切换时只需要保存和恢复少量的寄存器状态即可，而进程之间的上下文切换需要保存和恢复更多的状态信息，比如虚拟内存空间等。
并发性和资源竞争
线程之间的并发性比进程之间的并发性更高，因为它们共享同一进程的地址空间和资源，同时也会导致线程之间发生资源竞争的问题，例如竞争共享变量的访问权等。而进程之间的并发性相对较低，因为它们彼此独立。

如何创建一个线程

Talk is cheap，直接上代码！

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

using namespace std;


void *th_fun(void *arg)
{
    int *p = (int *)arg;
    printf("thread PID = %d\n",getpid());//获取本进程的ID
    printf("thread pthread ID = %d\n",pthread_self());//获取函数自己的ID
    printf("thread PARAMETER = %d\n",*p);//打印传入的参数
}

int main(void)
{
    pthread_t pid;//线程ID
    void *tret;
    int n=10;

    pthread_create(&pid,NULL,th_fun,(void*)&n);//pid 线程ID,传出参数
    pthread_join(pid, &tret);//主线程阻塞等待子线程的终止
    printf("MAIN pthread ID = %x\n",pthread_self());//主控线程的ID号
    printf("MAIN create pthread ID = %x\n",pid);//线程的ID
    printf("MAIN PID = %d\n",getpid());//进程ID

    return 0;
}

解读

主函数通过pthread_create函数创建一个线程，线程的函数名为th_fun，同时有一个pid参数代表线程的ID号，通过pthread_t类型定义。这里在pthread_create最后一个参数中，用了一个n变量负责传入一个数据给线程函数，然后在线程函数中打印出来。
pthread_join负责将线程设置为分离态，负责回收线程的资源。
主函数中分别打印了三个内容，主进程的线程的ID号，创建的新线程的ID号，主进程的ID号。
th_fun内容则简单的多，这个新创建的执行线程只负责打印三个内容：创建本线程的进程ID号，本线程自己的线程ID号，传入的arg参数。

输出

thread PID = 14420
thread pthread ID = 2
thread PARAMETER = 10
MAIN pthread ID = 1
MAIN create pthread ID = 2
MAIN PID = 14420

这里主进程的线程ID号为1，新创建的线程ID为2，该主函数执行时创建的进程ID为14420。
先打印出来thread线程的内容：因为线程是由main函数中创建的，所以进程ID同样为14420。新创建的线程ID和主函数中获取的线程ID一样为2，参数10是通过pthread_create的最后一个参数传进来的，这里要注意最后一个参数的类型为 void* 型，所以在赋值的时候也要将变量转换成 void* 型。

线程原语

实际上和线程有关的函数特别多，通过man命令可以查看到有哪些线程原语：

root@ubuntu:/home# man -k pthread
pthread_attr_destroy (3) - initialize and destroy thread attributes object
pthread_attr_getaffinity_np (3) - set/get CPU affinity attribute in thread attributes object
pthread_attr_getdetachstate (3) - set/get detach state attribute in thread attributes object
pthread_attr_getguardsize (3) - set/get guard size attribute in thread attributes object
pthread_attr_getinheritsched (3) - set/get inherit-scheduler attribute in thread attributes object
pthread_attr_getschedparam (3) - set/get scheduling parameter attributes in thread attributes object
pthread_attr_getschedpolicy (3) - set/get scheduling policy attribute in thread attributes object
pthread_attr_getscope (3) - set/get contention scope attribute in thread attributes object
pthread_attr_getstack (3) - set/get stack attributes in thread attributes object
pthread_attr_getstackaddr (3) - set/get stack address attribute in thread attributes object
pthread_attr_getstacksize (3) - set/get stack size attribute in thread attributes object
pthread_attr_init (3) - initialize and destroy thread attributes object
pthread_attr_setaffinity_np (3) - set/get CPU affinity attribute in thread attributes object
pthread_attr_setdetachstate (3) - set/get detach state attribute in thread attributes object
pthread_attr_setguardsize (3) - set/get guard size attribute in thread attributes object
pthread_attr_setinheritsched (3) - set/get inherit-scheduler attribute in thread attributes object
pthread_attr_setschedparam (3) - set/get scheduling parameter attributes in thread attributes object
pthread_attr_setschedpolicy (3) - set/get scheduling policy attribute in thread attributes object
pthread_attr_setscope (3) - set/get contention scope attribute in thread attributes object
pthread_attr_setstack (3) - set/get stack attributes in thread attributes object
pthread_attr_setstackaddr (3) - set/get stack address attribute in thread attributes object
pthread_attr_setstacksize (3) - set/get stack size attribute in thread attributes object
pthread_cancel (3)   - send a cancellation request to a thread
...

由于篇幅限制，后面的一部分就省略掉了，读者可以自行去查看。

那我们这里用到的几个和线程有关的线程原语有：

pthread_create

这个函数负责的是创建线程，通过man命令可以获取如何使用该函数。

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);

分别解释一下变量的含义：

pthread_t *thread:传递一个pthread_t变量地址进来，用于保存新线程的tid（线程ID）
const pthread_attr_t *attr:线程属性设置，如使用默认属性，则传NULL
void *(*start_routine) (void *):函数指针，指向新线程应该加载执行的函数模块
void *arg:指定线程将要加载调用的那个函数的参数
返回值:成功返回0，失败返回错误号。以前学过的系统函数都是成功返回0，失败返回-1，而错误号保存在全局变量errno中，而pthread库的函数都是通过返回值返回错误号，虽然每个线程也都有一个errno，但这是为了兼容其它函数接口而提供的，pthread库本身并不使用它，通过返回值返回错误码更加清晰
attr参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考[APUE2e]

pthread_join

调用该函数的线程将挂起等待，直到id为thread的线程终止。也就是在子线程调用了pthread_join()方法后面的代码，只有等到子线程结束了才能执行。

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

pthread_t thread:回收线程的tid
void **retval:接收退出线程传递出的返回值
返回值：成功返回0，失败返回错误号

注意，这里其实还涉及到与pthread_detach()函数的区别对比。在后续的文章再加以对比说明。

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