Pthread?并發(fā)編程線程自底向上深入解析

更新時間：2022年11月16日 14:23:34 作者：一無是處的研究僧

這篇文章主要為大家介紹了Pthread?并發(fā)編程線程自底向上深入解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

前言

在本篇文章當(dāng)中主要給大家介紹線程最基本的組成元素，以及在 pthread 當(dāng)中給我們提供的一些線程的基本機制，因為很多語言的線程機制就是建立在 pthread 線程之上的，比如說 Python 和 Java，深入理解 pthread 的線程實現(xiàn)機制，可以極大的提升我們對于語言線程的認(rèn)識。希望能夠幫助大家深入理解線程。

線程的基本元素

首先我們需要了解一些我們在使用線程的時候的常用的基本操作，如果不是很了解沒有關(guān)系我們在后續(xù)的文章當(dāng)中會仔細(xì)談?wù)撨@些問題。

線程的常見的基本操作：
- 線程的創(chuàng)建。
- 線程的終止。
- 線程之間的同步。
- 線程的調(diào)度。
- 線程當(dāng)中的數(shù)據(jù)管理。
- 線程與進(jìn)程之間的交互。
在 linux 當(dāng)中所有的線程和進(jìn)程共享一個地址空間。
進(jìn)程與線程之間共享一些內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
- 打開的文件描述符。
- 當(dāng)前工作目錄。
- 用戶 id 和用戶組 id 。
- 全局?jǐn)?shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)。
- 進(jìn)程的代碼。
- 信號（signals）和信號處理函數(shù)（signal handlers）。
線程獨有的：
- 線程的 ID 。
- 寄存器線程和?？臻g。
- 線程的棧當(dāng)中的局部變量和返回地址。
- 信號掩碼。
- 線程自己的優(yōu)先級。
- errno。

在所有的 pthread 的接口當(dāng)中，只有當(dāng)函數(shù)的返回值是 0 的時候表示調(diào)用成功。

線程等待

在 pthread 的實現(xiàn)當(dāng)中，每個線程都兩個特性：joinable 和 detached，當(dāng)我們啟動一個線程的時候 (pthread_create) 線程的默認(rèn)屬性是 joinable，所謂 joinable 是表示線程是可以使用 pthread_join 進(jìn)行同步的。

當(dāng)一個線程調(diào)用 pthread_join(T, ret)，當(dāng)這個函數(shù)返回的時候就表示線程 T 已經(jīng)終止了，執(zhí)行完成。那么就可以釋放與線程 T 的相關(guān)的系統(tǒng)資源。

如果一個線程的狀態(tài)是 detached 狀態(tài)的話，當(dāng)線程結(jié)束的時候與這個線程相關(guān)的資源會被自動釋放掉，將資源歸還給系統(tǒng)，也就不需要其他的線程調(diào)用 pthread_join 來釋放線程的資源。

pthread_join 函數(shù)簽名如下：

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

thread 表示等待的線程。
retval 如果 retval 不等于 NULL 則在 pthread_join 函數(shù)內(nèi)部會將線程 thead 的退出狀態(tài)拷貝到 retval 指向的地址。如果線程被取消了，那么 PTHREAD_CANCELED 將會被放在 retval 指向的地址。
函數(shù)的返回值
- EDEADLK 表示檢測到死鎖了，比入兩個線程都調(diào)用 pthread_join 函數(shù)等待對方執(zhí)行完成。
- EINVAL 線程不是一個 joinable 的線程，一種常見的情況就是 pthread_join 一個 detached 線程。
- EINVAL 當(dāng)調(diào)用 pthrea_join 等待的線程正在被別的線程調(diào)用 pthread_join 等待。
- ESRCH 如果參數(shù) thread 是一個無效的線程，比如沒有使用 pthread_create 進(jìn)行創(chuàng)建。
- 0 表示函數(shù)調(diào)用成功。

在下面的程序當(dāng)中我們使用 pthread_join 函數(shù)去等待一個 detached 線程：

#include <stdio.h>
#include <error.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_t t1, t2;
void* thread_1(void* arg) {
  int ret = pthread_detach(pthread_self());
  sleep(2);
  if(ret != 0)
    perror("");
  return NULL;
}
int main() {
  pthread_create(&t1, NULL, thread_1, NULL);
  sleep(1);
  int ret = pthread_join(t1, NULL);
  if(ret == ESRCH)
    printf("No thread with the ID thread could be found.\n");
  else if(ret == EINVAL) {
    printf("thread is not a joinable thread or Another thread is already waiting to join with this thread\n");
  }
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下所示：

$ ./join.out
thread is not a joinable thread or Another thread is already waiting to join with this thread

在上面的程序當(dāng)中我們在一個 detached 狀態(tài)的線程上使用 pthread_join 函數(shù)，因此函數(shù)的返回值是 EINVAL 表示線程不是一個 joinable 的線程。

在上面的程序當(dāng)中 pthread_self() 返回當(dāng)前正在執(zhí)行的線程，返回的數(shù)據(jù)類型是 pthread_t ，函數(shù) pthread_detach(thread) 的主要作用是將傳入的線程 thread 的狀態(tài)變成 detached 狀態(tài)。

我們再來看一個錯誤的例子，我們在一個無效的線程上調(diào)用 pthread_join 函數(shù)

#include <stdio.h>
#include <error.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_t t1, t2;
void* thread_1(void* arg) {
  int ret = pthread_detach(pthread_self());
  sleep(2);
  if(ret != 0)
    perror("");
  return NULL;
}
int main() {
  pthread_create(&t1, NULL, thread_1, NULL);
  sleep(1);
  int ret = pthread_join(t2, NULL);
  if(ret == ESRCH)
    printf("No thread with the ID thread could be found.\n");
  else if(ret == EINVAL) {
    printf("thread is not a joinable thread or Another thread is already waiting to join with this thread\n");
  }
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下：

$./oin01.out
No thread with the ID thread could be found.

在上面的程序當(dāng)中我們并沒有使用 t2 創(chuàng)建一個線程但是在主線程執(zhí)行的代碼當(dāng)中，我們使用 pthread_join 去等待他，因此函數(shù)的返回值是一個 EINVAL 。

我們再來看一個使用 retval 例子：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
void* func(void* arg)
{
  pthread_exit((void*)100);
  return NULL;
}
int main() {
  pthread_t t;
  pthread_create(&t, NULL, func, NULL);
  void* ret;
  pthread_join(t, &ret);
  printf("ret = %ld\n", (u_int64_t)(ret));
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下所示：

$./understandthread/join03.out
ret = 100

在上面的程序當(dāng)中我們使用一個參數(shù) ret 去獲取線程的退出碼，從上面的結(jié)果我們可以知道，我們得到了正確的結(jié)果。

如果我們沒有在線程執(zhí)行的函數(shù)當(dāng)中使用 pthread_exit 函數(shù)當(dāng)中明確的指出線程的退出碼，線程的退出碼就是函數(shù)的返回值。比如下面的的程序：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
void* func(void* arg)
{
  return (void*)100;
}
int main() {
  pthread_t t;
  pthread_create(&t, NULL, func, NULL);
  void* ret;
  pthread_join(t, &ret);
  printf("ret = %ld\n", (u_int64_t)(ret));
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果也是 100 ，這與我們期待的結(jié)果是一致的。

獲取線程的棧幀和PC值

在多線程的程序當(dāng)中，每個線程擁有自己的棧幀和PC寄存器（執(zhí)行的代碼的位置，在 x86_86 里面就是 rip 寄存器的值）。在下面的程序當(dāng)中我們可以得到程序在執(zhí)行時候的三個寄存器 rsp, rbp, rip 的值，我們可以看到，兩個線程執(zhí)行時候的輸出是不一致的，這個也從側(cè)面反映出來線程是擁有自己的棧幀和PC值的。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
u_int64_t rsp;
u_int64_t rbp;
u_int64_t rip;
void find_rip() {
  asm volatile(
    "movq 8(%%rbp), %0;"
    :"=r"(rip)::
  );
}
void* func(void* arg) {
  printf("In func\n");
  asm volatile(             \
    "movq %%rsp, %0;"       \
    "movq %%rbp, %1;"       \
    :"=m"(rsp), "=m"(rbp):: \
  );
  find_rip();
  printf("stack frame: rsp = %p rbp = %p rip = %p\n", (void*)rsp, (void*)rbp, (void*) rip);
  return NULL;
}
int main() {
  printf("================\n");
  printf("In main\n");
  asm volatile(             \
    "movq %%rsp, %0;"       \
    "movq %%rbp, %1;"       \
    :"=m"(rsp), "=m"(rbp):: \
  );
  find_rip();
  printf("stack frame: rsp = %p rbp = %p rip = %p\n", (void*)rsp, (void*)rbp, (void*) rip);
  printf("================\n");
  pthread_t t;
  pthread_create(&t, NULL, func, NULL);
  pthread_join(t, NULL);
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下所示：

================
In main
stack frame: rsp = 0x7ffc47096d50 rbp = 0x7ffc47096d80 rip = 0x4006c6
================
In func
stack frame: rsp = 0x7f0a60d43ee0 rbp = 0x7f0a60d43ef0 rip = 0x400634

從上面的結(jié)果來看主線程和線程 t 執(zhí)行的是不同的函數(shù)，而且兩個函數(shù)的棧幀差距還是很大的，我們計算一下 0x7ffc47096d80 - 0x7f0a60d43ef0 = 1038949363344 = 968G 的內(nèi)存，因此很明顯這兩個線程使用的是不同的棧幀。

線程的線程號

在 pthread 當(dāng)中的一個線程對應(yīng)一個內(nèi)核的線程，內(nèi)核和 pthread 都給線程維護(hù)了一個線程的 id 號，我們可以使用 gettid 獲取操作系統(tǒng)給我們維護(hù)的線程號，使用函數(shù) pthread_self 得到 pthread 線程庫給我們維護(hù)的線程號！

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
void* func(void* arg) {
  printf("pthread id = %ld tid = %d\n", pthread_self(), (int)gettid());
  return NULL;
}
int main() {
  pthread_t t;
  pthread_create(&t, NULL, func, NULL);
  pthread_join(t, NULL);
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下

pthread id = 140063790135040 tid = 161643

線程與信號

在 pthread 庫當(dāng)中主要給我們提供了一些函數(shù)用于信號處理，我們在 pthread 庫當(dāng)中可以通過函數(shù) pthread_kill 給其他的進(jìn)程發(fā)送信號。

 1) SIGHUP	 2) SIGINT	 3) SIGQUIT	 4) SIGILL	 5) SIGTRAP
 6) SIGABRT	 7) SIGBUS	 8) SIGFPE	 9) SIGKILL	10) SIGUSR1
11) SIGSEGV	12) SIGUSR2	13) SIGPIPE	14) SIGALRM	15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT	17) SIGCHLD	18) SIGCONT	19) SIGSTOP	20) SIGTSTP
21) SIGTTIN	22) SIGTTOU	23) SIGURG	24) SIGXCPU	25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM	27) SIGPROF	28) SIGWINCH	29) SIGIO	30) SIGPWR
31) SIGSYS	34) SIGRTMIN	35) SIGRTMIN+1	36) SIGRTMIN+2	37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4	39) SIGRTMIN+5	40) SIGRTMIN+6	41) SIGRTMIN+7	42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9	44) SIGRTMIN+10	45) SIGRTMIN+11	46) SIGRTMIN+12	47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14	49) SIGRTMIN+15	50) SIGRTMAX-14	51) SIGRTMAX-13	52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11	54) SIGRTMAX-10	55) SIGRTMAX-9	56) SIGRTMAX-8	57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6	59) SIGRTMAX-5	60) SIGRTMAX-4	61) SIGRTMAX-3	62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1	64) SIGRTMAX

我們可以在一個線程當(dāng)中響應(yīng)其他線程發(fā)送過來的信號，并且響應(yīng)信號處理函數(shù)，在使用具體的例子深入了解線程的信號機制之前，首先我們需要了解到的是在 pthread 多線程的程序當(dāng)中所有線程是共享信號處理函數(shù)的，如果在一個線程當(dāng)中修改了信號處理函數(shù)，這個結(jié)果是會影響其他線程的。

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
void sig(int signo) {
  char s[1024];
  sprintf(s, "signo = %d tid = %d pthread tid = %ld\n", signo, gettid(), pthread_self());
  write(STDOUT_FILENO, s, strlen(s));
}
void* func(void* arg) {
  printf("pthread tid = %ld\n", pthread_self());
  for(;;);
  return NULL;
}
int main() {
  signal(SIGHUP, sig);
  signal(SIGTERM, sig);
  signal(SIGSEGV, sig);
  pthread_t t;
  pthread_create(&t, NULL, func, NULL);
  sleep(1);
  pthread_kill(t, SIGHUP);
  sleep(1);
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下所示：

pthread tid = 140571386894080
signo = 1 tid = 7785 pthread tid = 140571386894080

在上面的程序當(dāng)中，我們首先在主函數(shù)里面重新定義了幾個信號的處理函數(shù)，將 SIGHUP、SIGTERM 和 SIGSEGV 信號的處理函數(shù)全部聲明為函數(shù) sig ，進(jìn)程當(dāng)中的線程接受到這個信號的時候就會調(diào)用對應(yīng)的處理函數(shù)，在上面的程序當(dāng)中主線程會給線程 t 發(fā)送一個 SIGHUP 信號，根據(jù)前面信號和數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系我們可以知道 SIGHUP 對應(yīng)的信號的數(shù)字等于 1 ，我們在信號處理函數(shù)當(dāng)中確實得到了這個信號。

除此之外我們還可以設(shè)置線程自己的信號掩碼，在前文當(dāng)中我們已經(jīng)提到了，每個線程都擁有線程自己的掩碼，因此在下面的程序當(dāng)中只有線程 2 響應(yīng)了主線程發(fā)送的 SIGTERM 信號。

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
void sig(int signo) {
  char s[1024];
  sprintf(s, "signo = %d tid = %d pthread tid = %ld\n", signo, gettid(), pthread_self());
  write(STDOUT_FILENO, s, strlen(s));
}
void* func(void* arg) {
  sigset_t set;
  sigemptyset(&set);
  sigaddset(&set, SIGTERM);
  pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
  // 上面的代碼的功能是阻塞 SIGTERM 這個信號 當(dāng)這個信號傳輸過來的時候不會立即執(zhí)行信號處理函數(shù)
  // 而是會等到將這個信號變成非阻塞的時候才會響應(yīng)
  printf("func : pthread tid = %ld\n", pthread_self());
  for(;;);
  return NULL;
}
void* func02(void* arg) {
  printf("func02 : pthread tid = %ld\n", pthread_self());
  for(;;);
  return NULL;
}
int main() {
  signal(SIGTERM, sig);
  pthread_t t1;
  pthread_create(&t1, NULL, func, NULL);
  sleep(1);
  pthread_t t2;
  pthread_create(&t2, NULL, func02, NULL);
  sleep(1);
  pthread_kill(t1, SIGTERM);
  pthread_kill(t2, SIGTERM);
  sleep(2);
  return 0;
}

在上面的程序當(dāng)中我們創(chuàng)建了兩個線程并且定義了 SIGTERM 的信號處理函數(shù)，在線程 1 執(zhí)行的函數(shù)當(dāng)中修改了自己阻塞的信號集，將 SIGTERM 變成了一種阻塞信號，也就是說當(dāng)線程接受到 SIGTERM 的信號的時候不會立即調(diào)用 SIGTERM 的信號處理函數(shù)，只有將這個信號變成非阻塞的時候才能夠響應(yīng)這個信號，執(zhí)行對應(yīng)的信號處理函數(shù)，但是線程 t2 并沒有阻塞信號 SIGTERM ，因此線程 t2 會執(zhí)行對應(yīng)的信號處理函數(shù)，上面的程序的輸出結(jié)果如下所示：

func : pthread tid = 139887896323840
func02 : pthread tid = 139887887931136
signo = 15 tid = 10652 pthread tid = 139887887931136

根據(jù)上面程序的輸出結(jié)果我們可以知道線程 t2 確實調(diào)用了信號處理函數(shù)（根據(jù) pthread tid ）可以判斷，而線程 t1 沒有執(zhí)行信號處理函數(shù)。

在上文當(dāng)中我們還提到了在一個進(jìn)程當(dāng)中，所有的線程共享同一套信號處理函數(shù)，如果在一個線程里面重新定義了一個信號的處理函數(shù)，那么他將會影響其他的線程，比如下面的程序：

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
void sig(int signo) {
  char s[1024];
  sprintf(s, "signo = %d tid = %d pthread tid = %ld\n", signo, gettid(), pthread_self());
  write(STDOUT_FILENO, s, strlen(s));
}
void sig2(int signo) {
  char* s = "thread-defined\n";
  write(STDOUT_FILENO, s, strlen(s));
}
void* func(void* arg) {
  signal(SIGSEGV, sig2);
  printf("pthread tid = %ld\n", pthread_self());
  for(;;);
  return NULL;
}
void* func02(void* arg) {
  printf("pthread tid = %ld\n", pthread_self());
  for(;;);
  return NULL;
}
int main() {
  signal(SIGSEGV, sig);
  pthread_t t;
  pthread_create(&t, NULL, func, NULL);
  sleep(1);
  pthread_t t2;
  pthread_create(&t2, NULL, func02, NULL);
  sleep(1);
  pthread_kill(t2, SIGSEGV);
  sleep(2);
  return 0;
}

上面的程序的輸出結(jié)果如下所示：

pthread tid = 140581246330624
pthread tid = 140581237937920
thread-defined

從上面程序輸出的結(jié)果我們可以看到線程 t2 執(zhí)行的信號處理函數(shù)是 sig2 而這個信號處理函數(shù)是在線程 t1 執(zhí)行的函數(shù) func 當(dāng)中進(jìn)行修改的，可以看到線程 t1 修改的結(jié)果確實得到了響應(yīng)，從這一點也可以看出，如果一個線程修改信號處理函數(shù)是會影響到其他的線程的。

總結(jié)

在本篇文章當(dāng)中主要介紹了一些基礎(chǔ)了線程自己的特性，并且使用一些例子去驗證了這些特性，幫助我們從根本上去理解線程，其實線程涉及的東西實在太多了，在本篇文章里面只是列舉其中的部分例子進(jìn)行使用說明，在后續(xù)的文章當(dāng)中我們會繼續(xù)深入的去談這些機制，比如線程的調(diào)度，線程的取消，線程之間的同步等等，更多關(guān)于Pthread 并發(fā)編程線程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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