【Linux C | 多线程编程】线程的创建、线程ID、线程属性

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⏰发布时间⏰：2024-03-22 09:05:41

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目录

  • 🎄一、概述
  • 🎄二、线程的创建 pthread_create
  • 🎄三、线程ID
    • ✨2.1 线程ID相关函数
    • ✨2.2 线程ID复用
  • 🎄四、线程属性
  • 🎄五、总结

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🎄一、概述

Linux线程库接口包括线程的创建、 退出、 取消和分离， 以及连接已经终止的线程， 互斥量， 读写锁，线程的条件等待等。

POSIX 函数函数功能描述
pthread_create创建一个线程
pthread_exit退出线程
pthread_self获取线程ID
pthread_equal检查两个线程ID是否相等
pthread_join等待线程退出
pthread_detach设置线程状态为分离状态
pthread_cancel线程的取消
pthread_cleanup_push、pthread_cleanup_pop线程退出，清理函数注册和执行

在代码里使用到上述接口函数时，使用gcc编程过程中需要加-pthread选项。

本文将介绍线程创建相关的一些知识，从pthread_create开始，然后依次介绍该函数第一个参数相关的线程ID，以及第二个函数相关的线程属性。

在这里插入图片描述

🎄二、线程的创建 pthread_create

程序开始启动的时候， 产生的进程只有一个线程， 我们称之为主线程或初始线程。 对于单线程的进程而言， 只存在主线程一个线程。 如果想在主线程之外， 再创建一个或多个线程， 就需要 pthread_create 函数。

pthread_create 函数原型：

#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.
  • 函数描述：函数 pthread_create 在调用过程中启动一个新线程。新线程通过调用 start_routine 参数指向的函数开始执行；arg参数作为 start_routine 的唯一参数传递。
  • 函数参数：
    • thread：传出参数，thread参数是 pthread_t 类型的指针，线程创建成功的话，会将分配的线程ID填入该指针指向的地址。线程的后续操作将使用该值作为线程的唯一标识。
    • attr：传入参数，第二个参数是 pthread_attr_t 类型，通过该参数可以定制线程的属性，比如可以指定新建线程栈的大小、调度策略等。 如果创建线程无特殊的要求， 该值也可以是NULL， 表示采用默认属性。
    • start_routine：传入参数，第三个参数是线程需要执行的函数。创建线程，是为了让线程执行一定的任务。线程创建成功之后，该线程就会执行start_routine函数，该函数之于线程，就如同 main 函数之于主线程。
    • arg：第四个参数是新建线程执行的 start_routine 函数的入参。新建线程如果想要正常工作，则可能需要入参，那么主线程在调用 pthread_create 的时候，就可以将入参的指针放入第四个参数以传递给新建线程。如果多个入参，可以使用结构体指针。
  • 函数返回值：如果成功，则 pthread_create 返回0；如果不成功，则 pthread_create 返回一个非0的错误码。pthread_create函数有点不同， 它会将errno作为返回值， 而不是一个负值。
    • EAGAIN：系统资源不够，或者创建线程的个数超过系统对一个进程中线程总数的限制
    • EINVAL：第二个参数attr值不合法
    • EPERM：没有合适的权限来设置调度策略或参数

通过上面的描述可以看到，pthread_create 是一个"四针"函数，也就是说它四个参数都是指针。下面是这个函数的简单使用示例：

// 02_pthread_create
// 编译：gcc 02_pthread_create.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *func(void *arg)
{
	int *parg = arg;
	printf("this thread arg is %d \n", *parg);
	return NULL;
}
int main()
{
	int arg=10;
	pthread_t threadId;
	pthread_create(&threadId, NULL, func, &arg);
	while(1); // 让主线程不退出
	return 0;
}

在这里插入图片描述

🎄三、线程ID

通过 pthread_create 成功创建线程后，第一个参数会返回所创建线程的线程ID，这个线程ID不同于使用系统调用函数syscall(SYS_gettid)获得的线程ID。syscall(SYS_gettid)的ID是进程调度的范畴；而这里返回的线程ID是操作系统调度器用来标识线程的。

pthread_t到底是个什么样的数据结构呢？ 因为POSIX标准并没有限制pthread_t的数据类型， 所以该类型取决于具体实现。 对于Linux目前使用的NPTL实现而言， pthread_t类型的线程ID， 本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

typedef unsigned long int pthread_t;

pthread_t类型在Linux系统中定义在 <bits/pthreadtypes.h>头文件中，在Ubuntu可以使用命令vi /usr/include/bits/pthreadtypes.h 来查看，其完整定义如上，是unsigned long int类型的。

✨2.1 线程ID相关函数

关于线程ID，线程库NPTL提供了pthread_self、pthread_equal 两个函数来操作线程ID，它们的函数原型如下：

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

Compile and link with -pthread.

pthread_self函数用于在线程指向函数中获取自身线程ID，这个函数不会调用失败，返回值就是线程ID；

pthread_equal函数用于比较两个线程ID是否相等，返回值是0的时候， 表示两个线程是同一个线程， 非零值则表示不是同一个线程。注意，比较线程ID只有在同一个进程中才有意义。

🌰举例子：

// 03_pthreadID.c
// gcc 03_pthreadID.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *func1(void *arg)
{
	int *parg = arg;
	printf("this thread arg is %d, my threadID is %lx \n", *parg, (unsigned long)pthread_self());
	while(1); // 让线程不退出
}
void *func2(void *arg)
{
	pthread_t *parg = arg;
	printf("other threadId is %lx, my threadID is %lx \n", (unsigned long)*parg, (unsigned long)pthread_self());
	while(1); // 让线程不退出
}
int main()
{
	int arg=10;
	pthread_t threadId_1;
	pthread_create(&threadId_1, NULL, func1, &arg);
	pthread_t threadId_2;
	pthread_create(&threadId_2, NULL, func2, &threadId_1);
	if(0 == pthread_equal(threadId_1,threadId_1))
		printf("same threads\n");
	else
		printf("different threads\n");
	while(1); // 让主线程不退出
	return 0;
}

✨2.2 线程ID复用

在满足下列条件时， 线程ID就有可能会被复用：
1） 线程退出。
2） 线程组的其他线程对该线程执行了pthread_join， 或者线程退出前将分离状态设置为已分离。
3） 再次调用pthread_create创建线程。

看例子：

// 04_pthreadID_reuse.c
// gcc 04_pthreadID_reuse.c -l pthread
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *func(void *arg)
{
	int *parg = arg;
	printf("this thread arg is %d, my threadID is %lx \n", *parg, (unsigned long)pthread_self());
	return NULL;
}

int main()
{
	int arg=10;
	pthread_t threadId;
	pthread_create(&threadId, NULL, func, &arg);
	pthread_join(threadId,NULL); // 等待线程退出
	pthread_create(&threadId, NULL, func, &arg);

	while(1); // 让主线程不退出
	return 0;
}

运行结果，可以看到两次的线程ID是一样的：
在这里插入图片描述

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🎄四、线程属性

pthread_create 的第二个参数是线程属性，先看看 pthread_attr_t 结构体的定义：

typedef struct
{
    int						detachstate;		//线程的分离状态
    int						schedpolicy;		//线程调度策略
    struct sched_param		schedparam;			//线程的调度参数
    int						inheritsched;		//线程的继承性
    int						scope;				//线程的作用域(竞争范围)
    size_t					guardsize;			//线程栈末尾的警戒缓冲区大小
    int						stackaddr_set;		//线程的栈设置
    void *                  stackaddr;			//线程栈的位置
    size_t					stacksize;			//线程栈的大小
}pthread_attr_t;


int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);   
功能：初始化/销毁线程的属性结构体

  • detachstate：分离状态

    • PTHREAD_CREATE_JOINABLE（默认值）：线程执行完函数后不会自行释放资源；
    • PTHREAD_CANCEL_DEFERRED：线程执行完函数后，会自行终止并释放占用的资源。

    系统提供两个函数获取、设置分离状态。另外，pthread_detach函数也可以设置线程分离。

    int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t * attr,int * detachstate);
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *sttr，int detachstate);

  • schedpolicy：调度策略

    • SCHED_OTHER（默认值）：普通策略(分时调度算法)，按照优先级调度
    • SCHED_FIFO：先进先出。一个FIFO会持续执行，直到线程阻塞、结束、有更高优先级的线程就绪
    • SCHED_RR：轮转策略。给每个线程分配执行时间(时间片)，当一个线程的时间片耗尽时，下一个线程执行

    其中，SCHED_OTHER 调度算法不支持为线程设置优先级，而另外两种调度算法支持。获取、设置的函数如下：

    int pthread_attr_getschedpolicy(const pthread_attr_t *, int * policy)
int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_*, int policy)

  • schedparam：调度参数
    用于设置线程的优先级（默认值为 0），该属性仅当线程的 schedpolicy 属性为 SCHED_FIFO 或者 SCHED_RR 时才能发挥作用。

    int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);
int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param);
struct sched_param param; // sched_param 只有一个字段 sched_priority 
param.sched_priority = 99;

  • inheritsched：继承性

    • PTHREAD_INHERIT_SCHED 调度属性(schedpolicy、schedparam)继承自创建者的
    • PTHREAD_EXPLICIT_SCHED 使用attr创建的线程，从attr指定的值中获取其调度属性(schedpolicy、schedparam)。

    获取、设置函数如下：

    int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr,int inheritsched);
int pthread_attr_getinheritsched(pthread_attr_t *attr,int *inheritsched);

  • scope：作用域(竞争范围)

    • PTHREAD_SCOPE_SYSTEM：在系统范围内竞争资源
    • PTHREAD_SCOPE_PROCESS：在进程范围内竞争资源

    线程执行过程中，可以只和同进程内的其它线程争夺 CPU 资源，也可以和系统中所有的其它线程争夺 CPU 资源，scope 属性用于指定目标线程和哪些线程抢夺 CPU 资源。获取、设置函数如下：

    int pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope);
int pthread_attr_getscope(pthread_attr_t *attr, int *scope);

  • guardsize：线程栈末尾的警戒缓冲区大小
    每个线程中，栈内存的后面都紧挨着一块空闲的内存空间，我们通常称这块内存为警戒缓冲区，它的功能是：一旦我们使用的栈空间超出了额定值，警戒缓冲区可以确保线程不会因“栈溢出”立刻执行崩溃。

    int pthread_attr_setguardsize(pthread_attr_t *attr, size_t guardsize);
int pthread_attr_getguardsize(pthread_attr_t *attr, size_t *guardsize);

  • stackaddr_set：线程的栈设置

    int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr,void *stackaddr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr,void **stackaddr, size_t *stacksize);

  • stackaddr：线程栈的位置

    int pthread_attr_setstackaddr(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr);
int pthread_attr_getstackaddr(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr);

  • stacksize：线程栈的大小

    int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize);

🌰举例子：

// 05_dispaly_attr.c  这是man手册的一个展示线程属性的例子，可以仔细研究以下
// gcc 05_dispaly_attr.c -l pthread
#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

#define handle_error_en(en, msg) \
	   do { errno = en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

static void
display_pthread_attr(pthread_attr_t *attr, char *prefix)
{
   int s, i;
   size_t v;
   void *stkaddr;
   struct sched_param sp;

   s = pthread_attr_getdetachstate(attr, &i);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getdetachstate");
   printf("%sDetach state        = %s\n", prefix,
		   (i == PTHREAD_CREATE_DETACHED) ? "PTHREAD_CREATE_DETACHED" :
		   (i == PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ? "PTHREAD_CREATE_JOINABLE" :
		   "???");

   s = pthread_attr_getscope(attr, &i);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getscope");
   printf("%sScope               = %s\n", prefix,
		   (i == PTHREAD_SCOPE_SYSTEM)  ? "PTHREAD_SCOPE_SYSTEM" :
		   (i == PTHREAD_SCOPE_PROCESS) ? "PTHREAD_SCOPE_PROCESS" :
		   "???");

   s = pthread_attr_getinheritsched(attr, &i);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getinheritsched");
   printf("%sInherit scheduler   = %s\n", prefix,
		   (i == PTHREAD_INHERIT_SCHED)  ? "PTHREAD_INHERIT_SCHED" :
		   (i == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) ? "PTHREAD_EXPLICIT_SCHED" :
		   "???");

   s = pthread_attr_getschedpolicy(attr, &i);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getschedpolicy");
   printf("%sScheduling policy   = %s\n", prefix,
		   (i == SCHED_OTHER) ? "SCHED_OTHER" :
		   (i == SCHED_FIFO)  ? "SCHED_FIFO" :
		   (i == SCHED_RR)    ? "SCHED_RR" :
		   "???");

   s = pthread_attr_getschedparam(attr, &sp);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getschedparam");
   printf("%sScheduling priority = %d\n", prefix, sp.sched_priority);

   s = pthread_attr_getguardsize(attr, &v);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getguardsize");
   printf("%sGuard size          = %ld bytes\n", prefix, v);

   s = pthread_attr_getstack(attr, &stkaddr, &v);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_attr_getstack");
   printf("%sStack address       = %p\n", prefix, stkaddr);
   printf("%sStack size          = 0x%lx bytes\n", prefix, v);
}

static void *
thread_start(void *arg)
{
   int s;
   pthread_attr_t gattr;

   /* pthread_getattr_np() is a non-standard GNU extension that
	  retrieves the attributes of the thread specified in its
	  first argument */

   s = pthread_getattr_np(pthread_self(), &gattr);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_getattr_np");

   printf("Thread attributes:\n");
   display_pthread_attr(&gattr, "\t");

   exit(EXIT_SUCCESS);         /* Terminate all threads */
}

int main(int argc, char *argv[])
{
   pthread_t thr;
   pthread_attr_t attr;
   pthread_attr_t *attrp;      /* NULL or &attr */
   int s;

   attrp = NULL;

   /* If a command-line argument was supplied, use it to set the
	  stack-size attribute and set a few other thread attributes,
	  and set attrp pointing to thread attributes object */

   if (argc > 1) {
	   int stack_size;
	   void *sp;

	   attrp = &attr;

	   s = pthread_attr_init(&attr);
	   if (s != 0)
		   handle_error_en(s, "pthread_attr_init");

	   s = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
	   if (s != 0)
		   handle_error_en(s, "pthread_attr_setdetachstate");

	   s = pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
	   if (s != 0)
		   handle_error_en(s, "pthread_attr_setinheritsched");

	   stack_size = strtoul(argv[1], NULL, 0);

	   s = posix_memalign(&sp, sysconf(_SC_PAGESIZE), stack_size);
	   if (s != 0)
		   handle_error_en(s, "posix_memalign");

	   printf("posix_memalign() allocated at %p\n", sp);

	   s = pthread_attr_setstack(&attr, sp, stack_size);
	   if (s != 0)
		   handle_error_en(s, "pthread_attr_setstack");
   }

   s = pthread_create(&thr, attrp, &thread_start, NULL);
   if (s != 0)
	   handle_error_en(s, "pthread_create");

   if (attrp != NULL) {
	   s = pthread_attr_destroy(attrp);
	   if (s != 0)
		   handle_error_en(s, "pthread_attr_destroy");
   }

   pause();    /* Terminates when other thread calls exit() */
}

运行结果，打印一些默认值：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

🎄五、总结

本文介绍了线程创建相关的内容，包括pthread_create函数的详细介绍和使用例子，然后依次介绍该函数第一个参数相关的线程ID知识以及第二个参数相关的线程属性知识。读完完整地了解线程的创建。

补充：
进程的地址空间：
1、Linux系统中，/proc/sys/vm/legacy_va_layout文件的值会影响进程地址空间的布局。默认值是0，表示mmap区域的基地址在栈的下面， mmap区域从高地址向低地址扩展；若值为1， 那么mmap的基地址mmap_base变小（约在128T的三分之一处），mmap区域从低地址向高地址扩展。

2、使用命令 pmap PID 或 cat /proc/PID/maps 可以查看进程的地址空间：
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参考资料：
https://blog.csdn.net/qq_41854911/article/details/118719001
《Linux环境编程：从应用到内核》

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加速您的 AI 开发&#xff1a;NVIDIA AI Workbench 正式发布 NVIDIA AI Workbench 是一款面向 AI 和 ML 开发人员的工具包&#xff0c;现已普遍提供免费下载。 它具有自动化功能&#xff0c;可以消除新手开发人员的障碍并提高专家的工作效率。 无论技能水平如何&#xff0c;开…
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使用倒模耳机壳UV树脂胶液制作舞台监听耳返入耳式耳机壳有哪些优点？

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使用倒模耳机壳UV树脂胶液制作舞台监听耳返入耳式耳机壳有很多优点&#xff0c;具体如下&#xff1a; 高音质表现&#xff1a;通过倒模工艺制作的耳机壳能够更好地贴合耳朵&#xff0c;减少声音散射和反射&#xff0c;提高声音的清晰度和质感。这对于舞台监听来说非常重要&…
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