Linux之线程控制
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一、POSIX线程库
由于Linux下的线程并没有独立特有的结构，所以Linux并没有提供线程相关的接口。
而我们所说的，pthread线程库是应用层的原生线程库。这个线程库并不是系统接口直接提供的，而是由第三方帮我们提供的。
1、与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以“pthread_”打头的
2、要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h>
3、链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项
二、线程的创建
pthread_create：其功能就是创建线程。
NAME
pthread_create - create a new thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
Compile and link with -pthread.参数说明：
thread：获取创建成功的线程ID，该参数是一个输出型参数。
attr：用于设置创建线程的属性，传入nullptr表示使用默认属性。(我们一般不关心，直接设为nullptr)
start_routine：该参数是一个函数指针，表示线程启动后要执行的函数。
arg：传给线程执行函数的参数。
返回值：线程创建成功返回0，失败返回错误码。返回值也可以自己设置，返回给主线程。主线程通过pthread_join获取。
主线程：当一个程序启动时，就有一个进程被操作系统创建，与此同时一个线程也立刻运行，这个线程就叫做主线程。
下面我们让主线程调用pthread_create函数创建一个新线程：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
cout << "new thread pid: " << getpid() << "n"
<< endl;
sleep(20);
return nullptr;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread 1");
while (true)
{
cout << "main thread pid: " << getpid() << endl;
sleep(1);
}
return 0;
} 
使用ps -aL命令，可以显示当前的轻量级进程。
从上图，我们看到两个线程的PID相同，说明他们属于同一个进程。但是他们的LWP值不同，说明他们是两个不同的线程。LWP就是轻量级进程的ID。
注：在Linux中，线程与内核的LWP是一一对应的，实际上操作系统调度的时候是根据LWP调度的，而不是PID，只不过我们之前接触到的都是单线程进程，其PID和LWP是相等的，所以对于单线程进程来说，调度时采用PID和LWP是一样的。
我们也可以让一个主线程创建多个新线程
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
string name = (char *)argc;
while (true)
{
cout << name << "---"
<< "pid: " << getpid() << "n"
<< endl;
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t tid[5];
char name[64];
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
snprintf(name, sizeof(name), "%s-%d", "thread", i);
pthread_create(tid + i, nullptr, thread_run, (void *)name);
sleep(1);
}
while (true)
{
cout << "main thread pid: " << getpid() << endl;
sleep(3);
}
return 0;
}
因为主线程和五个新线程都属于同一个进程，所以它们的PID都是一样的。
三、线程等待
一个线程被创建出来，那么这个线程就如同进程一般，也是需要被等待的。如果主线程不对新线程进行等待，那么这个新线程的资源也是不会被回收的。如果不等待会产生类似于“僵尸进程”的问题，也就会造成内存泄漏。所以线程需要被等待。
pthread_join：其功能就是进行线程等待
NAME
pthread_join - join with a terminated thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
Compile and link with -pthread.参数说明：
thread：被等待线程的ID。
retval：线程退出时的退出码信息。
返回值：线程等待成功返回0，失败返回错误码。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
int count = 10;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit" << endl;
return nullptr;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
pthread_join(tid, nullptr);
cout << "main thread wait done ... quit" << endl;
return 0;
}
第二个参数是用来获取新线程返回值的。主线程可以通过新线程的返回值拿到新线程的计算结果（该结果也可以保存在堆空间上）
include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
int count = 10;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit" << endl;
return (void *)10;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
void *ret = nullptr;
pthread_join(tid, &ret);
cout << "main thread wait done ... quit"
<< " " << (long long)ret << endl;
return 0;
}
四、线程终止
return：最简单的终止线程的方式，就是使用return返回一个返回值来终止线程。
pthread_exit：其功能就是终止一个线程。（终止线程不能使用exit，因为它是用来终止进程的）
参数，retval：设置退出结果。
NAME
pthread_exit - terminate calling thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
Compile and link with -pthread.#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
int count = 10;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit" << endl;
pthread_exit((void*)17);
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
void *ret = nullptr;
pthread_join(tid, &ret);
cout << "main thread wait done ... quit"
<< " " << (long long)ret << endl;
return 0;
}
pthread_cancel：其功能是取消一个线程。
参数，thread：线程ID。
NAME
pthread_cancel - send a cancellation request to a thread
SYNOPSIS
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
Compile and link with -pthread.#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
string name = (char *)argc;
int count = 10;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit" << endl;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
void *ret = nullptr;
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, &ret);
cout << "main thread wait done ... quit"
<< " " << (long long)ret << endl;
return 0;
}
线程被取消，线程等待时获取的退出码为-1。
五、分离线程
新线程退出后，主线程需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成内存泄漏。
但如果主线程不关心新线程的返回值，此时我们可以将该新线程进行分离，后续当新线程退出时就会自动释放线程资源。
一个线程如果被分离了，这个线程依旧要使用该进程的资源，依旧在该进程内运行，甚至这个线程崩溃了一定会影响其他线程，只不过这个线程退出时不再需要主线程去join了，当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。
pthread_detach：其功能就是进行分离线程。一般是线程自己分离。
int pthread_detach(pthread_t thread);参数说明：thread：被分离线程的ID。
返回值说明：
线程分离成功返回0，失败返回错误码。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
pthread_detach(pthread_self());
int count = 10;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit" << endl;
pthread_exit((void*)17);
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
void *ret = nullptr;
cout << "main thread wait done ... quit"
<< " " << (long long)ret << endl;
return 0;
}
如果我们在线程分离了之后，任然等待，会怎么样呢？
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
pthread_detach(pthread_self());
int count = 9;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit" << endl;
pthread_exit((void *)17);
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
sleep(2);
int n = pthread_join(tid, nullptr);
cout << "n: " << n << "errstring: " << strerror(n) << endl;
return 0;
}
六、线程ID：pthread_t
pthread_create函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中，该线程ID和内核中的LWP是完全不一样的。内核中的LWP属于进程调度的范畴，需要一个数值来唯一表示该线程。
那么pthread_t到底是什么类型呢？
1、获取线程ID
pthread_self：获取线程的ID。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
using namespace std;
void *thread_run(void *argc)
{
int count = 9;
while (true)
{
sleep(1);
if (count++ == 10)
break;
}
cout << "new thread done ... quit"
<< "new thread ID: " << pthread_self() << endl;
pthread_exit((void *)17);
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, thread_run, (void *)"thread1");
void *ret = nullptr;
sleep(2);
cout << "main thread ID: " << pthread_self() << endl;
pthread_join(tid, &ret);
return 0;
}
为什么线程的ID数值这么大呢？下面我们就来讲一讲。
2、pthread_t
进程运行时线程动态库被加载到内存，然后通过页表映射到进程地址空间中的共享区，此时该进程内的所有线程都是能看到这个动态库的。
其中主线程采用的栈是进程地址空间中原生的栈，而其余线程采用的栈就是由线程库帮我们在共享区中开辟的。
线程库给每个新线程提供属于自己的struct pthread，当中包含了对应线程的各种属性；每个线程还有自己的线程局部存储，当中包含了对应线程被切换时的上下文数据。其中，还有线程栈。如下图：
所以，线程ID本质就是进程地址空间共享区上对应的struct pthread的虚拟地址。
七、线程局部存储：__thread
假设有一个全局变量：g_val。我们知道，各个线程是共享全局变量的。不同的线程可以对同一个全局变量进行操作。那么如果我们想让每个线程都拥有属于自己的g_val，那么我们可以加上关键字：__thread。这种现象就叫做线程局部存储。