Linux 线程与pthread库

在Linux系统中，线程控制是多任务编程的核心，而POSIX线程库（pthread库）则是应用层的原生线程库，为开发者提供了丰富的线程控制功能。

1. 线程和pthread库

1.1 线程创建
在Linux系统中，通过pthread库提供的pthread_create函数可以创建新的线程。该函数的原型如下：

参数：
thread：参数是一个输出型参数，用于获取创建成功的线程ID。
attr：参数用于设置线程的属性，传入NULL表示使用默认属性。
start_routine：参数是一个函数地址，表示线程启动后要执行的函数。
arg：参数是传给线程例程的参数。

1.2 线程ID获取

每个线程都有一个唯一的线程ID，通过 pthread_self 函数可以获取当前线程的ID。线程ID是一个无符号长整型数。

1.3. 线程等待

线程的等待是为了确保资源得到释放，避免系统泄漏。使用 pthread_join 函数可以等待线程的结束。

参数：
thread：参数是被等待线程的ID。
retval：存储线程的返回值（退出状态信息）的位置。
返回值：线程等待成功返回0，失败返回错误码。

下面的示例演示了线程的创建和等待过程：

在编译时，需要链接pthread库。在使用gcc编译时，可以通过在命令行中添加"-pthread"选项来链接pthread库。例如：

gcc -o my_program my_program.c -pthread

#include 
#include   // 添加了这个头文件以使用printf
#include 
#include 

// 线程执行的工作
void* thread_routine(void* arg) {
    char* msg = (char*)arg;
    int n = 10;
    pthread_t tid = pthread_self();
    pid_t pid = getpid();
    pid_t ppid = getppid();
    
    // 在循环中输出线程信息
    while (n--) {
        // 修正了输出格式符
        printf("线程消息：%s pid: %d, ppid：%d, tid: %lu\n", msg, pid, ppid, tid);
        sleep(1);
    }
    
    // 返回线程的退出值
    return ((void*)42);
}

int main() {
    pthread_t tid;  // 存放新线程的ID
    const char* message = "你好，线程";  // 线程的消息
    void* exit_code;  // 用于存放线程的退出值

    // 创建线程
    if (pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, (void*)message) != 0) {
        printf("创建线程失败\n");
        return 1;
    }

    // 输出主线程信息
    printf("主线程消息：%s pid: %d, ppid：%d, tid: %lu\n", message, getpid(), getppid(), pthread_self());

    // pthread_join 会阻塞等待子线程结束
    if (pthread_join(tid, &exit_code) == 0) {
        // 修正了输出格式符
        printf("线程返回值：%ld\n", (long)exit_code);
    } else {
        printf("等待线程失败\n");
    }

    return 0;  // 返回主函数的退出值
}

输出：

运行时使用 ps -aL 显示当前系统中所有线程的信息

线程ID（TID） 是在进程内唯一的，它用于在同一进程内区分不同的线程。
进程ID（PID） 用于在整个系统中唯一标识一个进程。
如果PID和LWP相同，表示这个标识是主线程的标识；
如果它们不同，那么通常PID表示整个进程，而LWP表示不同的线程。

2. 线程的终止与退出

线程的终止与退出有三种方式：

1. 使用 return 语句：在线程函数中使用 return 语句可以使线程提前结束，但主线程使用 return 并不会终止整个进程。

示例：

#include 
#include 
#include 

void* thread_routine(void* arg) {
    // 线程执行的工作
    return (void*)42; // 返回退出码 42
}
int main() {
    pthread_t tid;
    if (pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, NULL) != 0) {
        printf("创建线程失败\n");
        return 1;
    }
    // 等待线程退出，并获取退出码
    void* exit_code;
    pthread_join(tid, &exit_code);
    printf("线程退出码：%ld\n", (long)exit_code);
    return 0;
}

2. 使用 pthread_exit 函数：允许线程独立终止，而不影响其他线程或整个进程

参数：
retval：线程退出时的退出码信息。

功能：
pthread_exit 函数允许线程独立终止，而不影响其他线程或整个进程。线程可以通过调用 pthread_exit 提前结束自己的执行，并传递一个退出码。

示例：

#include 
#include 
#include 

void* thread_routine(void* arg) {
    // 线程执行的工作
    pthread_exit((void*)42);  // 线程退出，返回退出码 42
}
int main() {
    pthread_t tid;
    if (pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, NULL) != 0) {
        printf("创建线程失败\n");
        return 1;
    }
    // 等待线程退出，并获取退出码
    void* exit_code;
    pthread_join(tid, &exit_code);
    printf("线程退出码：%ld\n", (long)exit_code);
    return 0;
}

3. 使用 pthread_cancel 函数：用于取消指定线程，被取消的线程可以在任何地方被取消，不仅限于线程函数的返回点。
   

参数：
thread：要取消的线程的线程ID。
功能：
pthread_cancel 函数用于请求取消指定线程。该函数向指定线程发送取消请求，被取消的线程可以在任何地方被取消，不仅限于线程函数的返回点。

示例：

#include 
#include 
#include 

// 线程函数
void* thread_routine(void* arg) {
    // 线程执行的工作
    while(1) {
        printf("Thread ID: %lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
        }
}
int main() {
    pthread_t tid;
    // 创建线程
    if (pthread_create(&tid, NULL, thread_routine, NULL) != 0) {
        // 处理线程创建失败
        return 1;
    }
    sleep(3);
    // 取消线程
    pthread_cancel(tid);
    // 等待线程退出
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

3. 为什么需要线程库？

在Linux内核中，线程的管理并不是直接由内核进行的，而是通过引入轻量级进程（Lightweight Process，LWP）的概念来实现。这种设计的核心思想是让内核专注于进程的管理，而将线程的管理交给用户空间的线程库。

1. 轻量级进程（LWP）： 在Linux内核中，每个进程都被分配一个LWP，它实际上是内核对进程的抽象，具有独立的PID，但共享相同的资源。LWP拥有独立的执行流，但线程的管理由用户空间的线程库负责。

2. 线程概念在用户空间： Linux中没有专门的系统调用用于线程管理，而是通过用户空间的线程库（如pthread库）提供的接口实现。线程库中的函数用于创建、销毁和管理线程，这些线程在内核中对应LWP。

3. 内核分工与线程库作用： 内核不直接管理线程，而是将管理任务委托给用户空间的线程库。线程库负责调度、切换和同步线程，提供高层次的线程抽象，使开发者能更轻松地进行多线程编程。

4. 用户空间线程库的作用： 线程库在实现线程管理时可能使用内核提供的机制，但它们是用户空间的实体。线程库简化了开发者对多线程的操作，让他们不必深入了解内核的底层细节。

4. 虚拟地址空间与线程库

1. 线程库在虚拟地址空间中位于共享区域。具体来说，用户空间的线程库，例如pthread库，通常会被加载到共享区域，这使得它对于同一进程内的所有线程都是可见的。在这个共享区域内，每个新线程都有一个对应的线程控制块（Thread Control Block，TCB），用于存储关于线程的各种信息，确保线程的独立性。

2. 每个新线程在共享区域都有一个对应的线程控制块（Thread Control Block，TCB）。线程控制块存储了关于线程的各种信息，确保了线程的独立性。在pthread库中，线程ID（tid）指向了对应线程控制块的起始地址。通过这种方式，用户空间的线程库可以有效地管理和操作线程，而不必依赖内核级别的线程管理。线程控制块的存在使得线程库能够追踪线程的状态、优先级、寄存器值等信息，从而更好地协调和调度线程的执行。这种设计使得用户空间的线程库能够更加灵活地处理线程的创建、调度和撤销等操作，降低了对内核的依赖性。