POSIX线程管理全解析

### POSIX线程管理全解析 #### 1. 线程管理概述 线程包通常包含线程创建、销毁、调度、互斥执行和条件等待等功能。典型的线程包还有一个运行时系统，能透明地管理线程，用户通常不会察觉到它的存在。当创建一个线程时，运行时系统会分配数据结构来保存线程的ID、栈和程序计数器的值，线程的内部数据结构可能还包含调度和使用信息。一个进程中的线程共享该进程的整个地址空间，它们可以修改全局变量、访问打开的文件描述符，并且能以各种方式相互协作或干扰。 POSIX线程有时被称为pthreads，因为所有线程函数都以pthread开头。以下是基本的POSIX线程管理函数总结： | POSIX函数 | 描述 | | --- | --- | | pthread_cancel | 终止另一个线程 | | pthread_create | 创建一个线程 | | pthread_detach | 设置线程以释放资源 | | pthread_equal | 测试两个线程ID是否相等 | | pthread_exit | 退出一个线程而不退出进程 | | pthread_kill | 向一个线程发送信号 | | pthread_join | 等待一个线程 | | pthread_self | 查找自己的线程ID | 大多数POSIX线程函数成功时返回0，失败时返回非零错误代码，并且它们不会设置errno，因此调用者不能使用perror来报告错误。如果处理了线程安全问题，程序可以使用strerror。POSIX标准明确规定，没有一个POSIX线程函数会返回EINTR，并且如果被信号中断，POSIX线程函数不需要重新启动。 #### 2. 通过ID引用线程 POSIX线程通过pthread_t类型的ID来引用。一个线程可以通过调用pthread_self来获取自己的ID。 ```c #include <pthread.h> pthread_t pthread_self(void); ``` pthread_self函数返回调用线程的线程ID，该函数没有定义错误。 由于pthread_t可能是一个结构体，因此使用pthread_equal来比较线程ID是否相等。 ```c #include <pthread.h> pthread_t pthread_equal(thread_t t1, thread_t t2); ``` 如果t1等于t2，pthread_equal返回非零值；如果线程ID不相等，则返回0，该函数也没有定义错误。 以下是一个示例代码，当线程的ID等于mytid时，输出一条消息： ```c pthread_t mytid; if (pthread_equal(pthread_self(), mytid)) printf("My thread ID matches mytid\n"); ``` #### 3. 创建线程 pthread_create函数用于创建一个线程。与一些线程设施（如Java编程语言提供的）不同，POSIX的pthread_create会自动使线程可运行，不需要单独的启动操作。 ```c #include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *restrict thread, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_routine)(void *), void *restrict arg); ``` 如果成功，pthread_create返回0；如果失败，则返回非零错误代码。以下是pthread_create的强制错误列表： | 错误 | 原因 | | --- | --- | | EAGAIN | 系统没有足够的资源来创建线程，或者会超过进程中线程总数的系统限制 | | EINVAL | attr参数无效 | | EPERM | 调用者没有设置attr指定的调度策略或参数的适当权限 | 下面的代码段展示了如何在打开my.dat文件进行读取后创建一个线程来执行processfd函数： ```c void *processfd(void *arg); int error; int fd; pthread_t tid; if ((fd = open("my.dat", O_RDONLY)) == -1) perror("Failed to open my.dat"); else if (error = pthread_create(&tid, NULL, processfd, &fd)) fprintf(stderr, "Failed to create thread: %s\n", strerror(error)); else printf("Thread created\n"); ``` #### 4. 分离和连接线程 当一个线程退出时，除非它是分离的线程，否则不会释放其资源。pthread_detach函数用于设置线程的内部选项，指定线程退出时可以回收其存储空间。分离的线程退出时不会报告其状态，而非分离的线程是可连接的，直到另一个线程为它们调用pthread_join或整个进程退出，才会释放所有资源。 pthread_join函数使调用者等待指定的线程退出，类似于进程级别的waitpid。为了防止内存泄漏，长时间运行的程序最终应该为每个线程调用pthread_detach或pthread_join。 pthread_detach函数的参数是要分离的线程的ID： ```c #include <pthread.h> int pthread_detach(pthread_t thread); ``` 如果成功，pthread_detach返回0；如果失败，则返回非零错误代码。以下是pthread_detach的强制错误列表： | 错误 | 原因 | | --- | --- | | EINVAL | 线程不是一个可连接的线程 | | ESRCH | 没有ID为thread的线程 | 下面的代码段创建并分离一个线程来执行processfd函数： ```c void *processfd(void *arg); int error; int fd; pthread_t tid; if (error = pthread_create(&tid, NULL, processfd, &fd)) fprintf(stderr, "Failed to create thread: %s\n", strerror(error)); else if (error = pthread_detach(tid)) fprintf(stderr, "Failed to detach thread: %s\n", strerror(error)); ``` pthread_join函数的原型如下： ```c #include <pthread.h> int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr); ``` 如果成功，pthread_join返回0；如果失败，则返回非零错误代码。以下是pthread_join的强制错误列表： | 错误 | 原因 | | --- | --- | | EINVAL | 线程不是一个可连接的线程 | | ESRCH | 没有ID为thread的线程 | 下面的代码展示了如何检索终止线程传递给pthread_exit的值： ```c int error; int *exitcodep; pthread_t tid; if (error = pthread_join(tid, &exitcodep)) fprintf(stderr, "Failed to join thread: %s\n", strerror(error)); else fprintf(stderr, "The exit code was %d\n", *exitcodep); ``` 如果一个线程执行`pthread_join(pthread_self());`，假设该线程是可连接的（非分离的），这将导致死锁。一些实现会检测到死锁并强制pthread_join返回错误EDEADLK，但POSIX:THR扩展并不要求进行这种检测。 #### 5. 线程退出和取消 进程可以通过直接调用exit、从main函数返回或让其他进程线程调用exit来终止，在这些情况下，所有线程都会终止。如果主线程在创建其他线程后没有工作要做，它应该阻塞直到所有线程完成，或者调用pthread_exit(NULL)。 调用exit会导致整个进程终止，而调用pthread_exit只会导致调用线程终止。一个线程从其顶级返回时，会隐式地调用pthread_exit，返回值（一个指针）作为pthread_exit的参数。如果进程的最后一个线程调用pthread_exit，进程将以返回状态0退出。 ```c #include <pthread.h> void pthread_exit(void *value_ptr); ``` POSIX没有为pthread_exit定义任何错误。 线程可以通过取消机制强制其他线程返回。一个线程调用pthread_cancel来请求取消另一个线程，目标线程的类型和可取消状态决定了结果。 ```c #include <pthread.h> int pthread_cancel(pthread_t thread); ``` 如果成功，pthread_cancel返回0；如果失败，则返回非零错误代码，该函数没有定义强制错误。 当一个线程收到取消请求时，其行为取决于它的状态和类型。如果线程处于PTHREAD_CANCEL_ENABLE状态，它会接收取消请求；如果处于PTHREAD_CANCEL_DISABLE状态，取消请求将被挂起。默认情况下，线程处于PTHREAD_CANCEL_ENABLE状态。 pthread_setcancelstate函数用于更改调用线程的可取消状态： ```c #include <pthread.h> int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate); ``` 如果成功，pthread_setcancelstate返回0；如果失败，则返回非零错误代码，该函数没有定义强制错误。 以下是一个修改后的processfd函数，在调用docommand之前显式禁用取消，以确保命令不会在执行过程中被取消： ```c #include <pthread.h> #include "restart.h" #define BUFSIZE 1024 void docommand(char *cmd, int cmdsize); void *processfdcancel(void *arg) { /* process commands with cancellation */ char buf[BUFSIZE]; int fd; ssize_t nbytes; int newstate, oldstate; fd = *((int *)(arg)); for ( ; ; ) { if ((nbytes = r_read(fd, buf, BUFSIZE)) <= 0) break; if (pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, &oldst ```