Pthread简介

Pthread,也即Posix thread，顾名思义，是posix的一部分，跨平台的线程库。Linux上的现在的实现是Native POSIX Threads Library,也即NPTL. Thread是一种并行的机制，在多核处理器上，不同的线程可以被调度到不同的核上运行，从而获得接近线性增长的效率提升。在单核处理器上，使用多线程程序在IO密集型程序上也能获得收益，因为在IO阻塞的时候，切换到其他线程可以继续工作，从而提高程序的有效运行效率（而不是傻傻的阻塞等待IO，在Python中由于GIL的存在，Python的多线程不能调度到其他核运行。所有的线程独享自己的栈空间，共享同一个堆地址空间，这会带来一些变量使用上的便利，避免频繁的IPC通讯，同时也带来了严重的风险：race condition将会导致所有线程工作不正常，或者程序异常终止。

线程继承和不继承的属性

当一个线程启动的时候，它会从其他线程中继承一些信息。典型的如:

• 进程有关的信息(pid,ppid,pgid)
• 打开的文件描述符(fd)
• 信号处理方式
• timer相关信息，对进程的资源限制，nice value以及一些其他的和进程相关的信息

每个信号独立拥有的信息(重要的):

• 线程ID(thread id)
• 信号阻塞集(sigmask)
• errno
• thread-specific data和线程栈上的变量

线程管理

线程创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread,const pthread_attr_t* attr,void*(*start)(void*),void* arg);
return 0 on sucess

attr可以传NULl,代表属性默认（最通常的情况）。start是一个返回void*,接受void*参数的函数，当线程启动的时候该函数会立刻被执行。arg是要传进去的参数，如果要传多个参数，可以传一个结构体进去，在start函数内部强转类型(没有范型的痛)。 attr参数可以用pthread_attr_init和pthread_attr_destroy来设置，用来设置线程的一些属性。

线程不保证执行顺序，如果线程之间有顺序依赖关系，需要用条件变量、共享变量或者信号等方式来同步。

线程ID,pthread_t在Linux的实现是一个unsigned long,但是POSIX规范没有规定pthread_t是什么，任何对它类型的假设都会导致代码不可移植。

线程结束

线程内部函数可以有返回值，虽然返回的是个void*,需要强转类型，同样，也可以返回一个结构体。线程的结束通常是以下原因:

• start函数执行完成并返回
• 线程内部执行了pthread_exit
• 其他线程调用了pthread_cancel
• 任何线程执行了exit，或者main函数返回了(相当于执行了exit)，所有线程会被释放。

#includee <pthread.h>
void pthread_exit(void* retval);

线程join与detach

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread_id, void** retval); //成功返回0
int pthread_detach(pthread_t thread_id);

pthread_join和进程中的waitpid差不多，阻塞等待线程结束。如果线程已经结束了，pthread_join会立刻返回。区别是waitpid只能父进程wait子进程，而pthread之间是平等的，任何线程都可以join其他线程。共同点是如果不join/wait, 已经执行完的线程/进程不会被操作系统回收，而是等待被收尸。未被收尸的线程/进程都会占用系统资源(在Linux的实现中线程和进程都是task_struct结构体)，进程资源泄漏的话会导致操作系统最终无法创建新进程。

pthread_join有一些注意点:

1. 线程之间是平等的，任何线程都可以join其他线程。然而一般的良好实践是由主线程来负责收尸
2. join线程必须显式指定需要join的线程。不存在join任意线程的选项，也不存在尝试join这一选项。join一个还未完成的线程，一定阻塞。

有的时候我们并不关心线程的返回值，也不关心线程是否结束(一个典型的例子是拉起一个专门负责IO的线程,这个线程的唯一任务就是在后台进行IO,直到程序运行结束)。这种线程称为detached线程,可以在线程被拉起时pthread_detach(pthread_self()),也可以由主线程来detach，甚至可以在创建线程中传入attr中指定detach属性。

warning:

• join同一个线程两次，或者join一个已经被detach的线程是错误行为,在C++中会抛异常，没有被catch住的话，会自动调用terminate结束程序。

线程安全的变量和函数

线程之间共享堆空间、地址空间和全局变量，不同线程对同一变量的操作会导致race-condition. 因此，对于临界区(critical section)的访问需要保证原子操作，常用的手段是互斥锁。

#静态初始化
pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
#动态初始化一个锁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t * attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex);

#上锁解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);

warning:

• 在C中由于没有RAII，mutex的上锁和解锁必须小心，在上锁和解锁中间应该确保没有任何可以跳出这段代码的方式(GOTO,RETURN)，否则会导致永远锁死。
• 有多个mutex变量的时候，一定要确保不同线程上锁和解锁的顺序是一样的，否则会造成死锁。
• 对同一个平凡的mutex加锁两次,解锁不是本线程加锁的锁，解锁没有上锁的锁都是未定义行为
• 复制一个Mutex变量是未定义行为

Mutex可以在attr中设置成引用计数锁，可以重复加锁，然而这个功能并没有看出来有什么用。

一个函数如果是线程安全的，也即可重入(Reentrancy)的。Posix指定了一大票函数是必须可重入的(实际上常用的不多。凡是有状态的函数基本都是不可重入的。典型的如malloc,在内核里它会记录已经分配的内存，显然是不可重入的，凡是能返回指针的函数一般也是不可重入的，因为内部一般有malloc。和IO有关的函数也是不可重入的，典型的printf,std::cout。除了posix规定的函数外，glibc提供了额外的可重入函数，函数为_r结尾的代表可重入。不可重入的函数在调用的时候应该用mutex加锁保护。

条件变量

条件变量和进程模型中的signal有相似用途。一个线程在完成了某件事后，可以使用条件变量通知其他线程进行其他工作,(生产者消费者模型中，生产者生产信息后，通知消费者线程来取走)。条件变量的好处是节约资源，它允许正在等待的线程睡眠(而不是死循环来浪费cpu)。

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);
int pthread_cond_brodcast(pthread_cond_t* cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex);

为什么cond_wait需要条件变量和mutex? 因为条件变量只起一个通知的作用，往往还需要检查一个共享变量。比如生产者模型生产了5份信息，通知消费者线程，消费者需要检测信息的数量。因此在pthread_cond_wait被调用的时候，它会

1. 解开mutex, 让生产者可以访问共享变量
2. 自身睡眠，等待条件变量
3. 条件变量到来，给mutex上锁，确保自己在检查共享变量的时候，共享变量只有自己能访问。

线程取消

GUI场景和计算密集型应用可能用的比较多，取消某个线程的执行。线程自身在启动的时候，可以把自己设定成不可取消。取消只会在固定的cancellation points被执行，一般是某些函数，posix标准里规定了一大批函数必须是取消点。简单的概括，凡是有可能阻塞线程的函数，都可能是取消点。

当一个线程被取消的时候，没有被detach的线程也必须被join, 否则会变成僵尸线程。被取消的线程被join的时候，返回值会是一个特殊的正数(定义在PTHREAD_CANCELED)里面。

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);