Linux编程学习笔记 | Linux多线程学习[1] - 线程

文章系列原因

2017年年初，我给自己定了一个小小的目标：学习Linux编程，并通过网络来分享自己的学习心得。为了完成这个小小的目标，我开始用通过写文章来记录我的学习心得，希望在年底时，我能完成24篇Linux相关的学习文档，以实现我这个小小的目标。这是这个系列的第一篇文章，是我对最近学习Linux多线程的总结。

什么是线程

我们来看看维基百科是如何对线程进行定义的：

线程（英语：thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并行多个线程，每条线程并行执行不同的任务。在Unix System V及SunOS中也被称为轻量进程（lightweight processes），但轻量进程更多指内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

一个进程可以包含多个线程，这些线程有各自的调用栈(call stack)，自己的寄存器环境（register context)以及自己的线程本地存储(thread-local storage)。每条线程都是并发执行不同的任务。因为还没写进程相关的文章，这里我就不进一步说明进程和线程的区别了，我会在进程或者单独的文章中说明它们的异同。

线程的生命周期

线程的四个状态

线程在其生命周期中有四种状态，分别是就绪、运行、阻塞和终止，下面这个表格解释了这四种状态：

状态	含义
就绪	线程能够运行，但是在等待可用的处理器
运行	线程正在运行，在多核系统中，可能同时有多个线程在运行
阻塞	线程在等待处理器以外的其他条件
终止	线程从启动函数中返回，或者调用pthread_exit函数，或者被取消

线程可以在一定条件下转换其状态，下图显示了线程是如何转换其状态的：

线程状态的改变

线程的创建

要创建线程，我们使用 pthread_create() 这个函数，函数说明如下：

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

args:
    pthread_t *thread              : 指向新线程的线程号的指针，如果创建成功则将线程号写回thread指向的内存空间 
    const pthread_attr_t *attr     : 指向新线程属性的指针
    void *(*start_routine) (void *): 新线程要执行函数的地址（回调函数）
    void *arg                      : 指向新线程要执行函数的参数的指针

return: 
    线程创建的状态，0是成功，非0失败

每一个成功创建的线程都有一个线程号，我们可以通过 pthread_self() 这个函数获取调用这个函数的线程的线程号。有一点我们需要注意，如果需要编译 pthread_XX() 相关的函数，我们需要在编译时加入 -pthread。

线程的基本控制

线程的结束

要结束一个线程，我们通常有以下几种方法：

方法	说明
exit()	终止整个进程，并释放整个进程的内存空间
pthread_exit()	终止线程，但不释放非分离线程的内存空间
pthread_cancel()	其他线程通过信号取消当前线程

exit() 会终止整个进程，因此我们几乎不会使用它来结束线程。我们常用 pthread_cancel() 和 pthread_exit() 函数来结束线程。这里，我们重点看看 pthread_exit() 这个函数:

void pthread_exit(void *retval);

args: 
    void *retval: 指向线程结束码的指针

return:
    无

要结束一个线程，只需要在线程调用的函数中加入 pthread_exit(X) 即可，但有一点需要特别注意：如果一个线程是非分离的（默认情况下创建的线程都是非分离）并且没有对该线程使用 pthread_join() 的话，该线程结束后并不会释放其内存空间。这会导致该线程变成了“僵尸线程”。“僵尸线程”会占用大量的系统资源，因此我们要避免“僵尸线程”的出现。

线程的连接

在上一部分我们提到了 pthread_join() 这个函数，在这一节，我们先来看看这个函数：

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

args:
    pthread_t thread: 被连接线程的线程号
    void **retval   : 指向一个指向被连接线程的返回码的指针的指针
    
return:
    线程连接的状态，0是成功，非0是失败

当调用 pthread_join() 时，当前线程会处于阻塞状态，直到被调用的线程结束后，当前线程才会重新开始执行。当 pthread_join() 函数返回后，被调用线程才算真正意义上的结束，它的内存空间也会被释放（如果被调用线程是非分离的）。这里有三点需要注意：

1. 被释放的内存空间仅仅是系统空间，你必须手动清除程序分配的空间，比如 malloc() 分配的空间。
2. 一个线程只能被一个线程所连接。
3. 被连接的线程必须是非分离的，否则连接会出错。

线程的分离

在上一节中，我们在谈 pthread_join() 时说到了只有非分离的线程才能使用 pthread_join()，这节我们就来看看什么是线程的分离。在Linux中，一个线程要么是可连接的，要么是可分离的。当我们创建一个线程的时候，线程默认是可连接的。可连接和可分离的线程有以下的区别：

线程类型	说明
可连接的线程	能够被其他线程回收或杀死，在其被杀死前，内存空间不会自动被释放
可分离的线程	不能被其他线程回收或杀死，其内存空间在它终止时由系统自动释放

我们可以看到，对于可连接的线程而而言，它不会自动释放其内存空间。因此对于这类线程，我们必须要配合使用 pthread_join() 函数。而对于可分离的函数，我们就不能使用 pthread_join() 函数。
要使线程分离，我们有两种方法：1）通过修改线程属性让其成为可分离线程；2）通过调用函数 pthread_detach() 使新的线程成为可分离线程。
下面是 pthread_detach() 函数的说明：

int pthread_detach(pthread_t thread);

args:
    pthread_t thread: 需要分离线程的线程号

return:
    线程分离的状态，0是成功，非0是失败

我们只需要提供需要分离线程的线程号，便可以使其由可连接的线程变为可分离的线程。

主线程

在上面的几节中，我们讲了线程的创建，结束和连接。这节我们来看一个特殊的线程 - 主线程。
在C程序中，main(int argc, char **argv) 就是一个主线程。我们可以在主线程中做任何普通线程可以做的事情，但它和一般的线程有有一个很大的区别：主线程返回或者运行结束时会导致进程的结束，而进程的结束会导致进程中所有线程的结束。为了不让主线程结束所有的线程，根据我们之前所学的知识，有这么几个解决办法：

1. 不让主线程返回或者结束（在 return 前加入 while(1) 语句）。
2. 调用 pthread_exit() 来结束主线程，当主线程 return 后，其内存空间会被释放。
3. 在 return 前调用 pthread_join()，这时主线程将被阻塞，直到被连接的线程执行结束后，才接着运行。

在这三种方法中，前两种很少被使用，第三种是常用的方法。

总结

这篇文章主要介绍了线程的基本概念，线程的生命周期和状态，线程的创建、结束、连接、分离以及主线程。在下一篇中，我将介绍多线程中的重点 - 同步。

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