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⏰发布时间⏰：2024-03-22 09:05:41

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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。

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🎄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;
}

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🎄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");elseprintf("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：

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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 thatretrieves the attributes of the thread specified in itsfirst 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 thestack-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：

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🎄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》