2. 线程控制

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2023-12-01

2. 线程控制

2.1. 创建线程

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *restrict thread,
	const pthread_attr_t *restrict attr,
	void *(*start_routine)(void*), void *restrict arg);

返回值：成功返回0，失败返回错误号。以前学过的系统函数都是成功返回0，失败返回-1，而错误号保存在全局变量errno中，而pthread库的函数都是通过返回值返回错误号，虽然每个线程也都有一个errno，但这是为了兼容其它函数接口而提供的，pthread库本身并不使用它，通过返回值返回错误码更加清晰。

在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行的代码由我们传给pthread_create的函数指针start_routine决定。start_routine函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine的返回值类型也是void *，这个指针的含义同样由调用者自己定义。start_routine返回时，这个线程就退出了，其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。

pthread_create成功返回后，新创建的线程的id被填写到thread参数所指向的内存单元。我们知道进程id的类型是pid_t，每个进程的id在整个系统中是唯一的，调用getpid(2)可以获得当前进程的id，是一个正整数值。线程id的类型是thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self(3)可以获得当前线程的id。

attr参数表示线程属性，本章不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考[APUE2e]。首先看一个简单的例子：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_t ntid;

void printids(const char *s)
{
	pid_t      pid;
	pthread_t  tid;

	pid = getpid();
	tid = pthread_self();
	printf("%s pid %u tid %u (0x%x)\n", s, (unsigned int)pid,
	       (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
}

void *thr_fn(void *arg)
{
	printids(arg);
	return NULL;
}

int main(void)
{
	int err;

	err = pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, "new thread: ");
	if (err != 0) {
		fprintf(stderr, "can't create thread: %s\n", strerror(err));
		exit(1);
	}
	printids("main thread:");
	sleep(1);

	return 0;
}

编译运行结果如下：

$ gcc main.c -lpthread
$ ./a.out
main thread: pid 7398 tid 3084450496 (0xb7d8fac0)
new thread:  pid 7398 tid 3084446608 (0xb7d8eb90)

可知在Linux上，thread_t类型是一个地址值，属于同一进程的多个线程调用getpid(2)可以得到相同的进程号，而调用pthread_self(3)得到的线程号各不相同。

由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。

如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的办法。

思考题：主线程在一个全局变量ntid中保存了新创建的线程的id，如果新创建的线程不调用pthread_self而是直接打印这个ntid，能不能达到同样的效果？

2.2. 终止线程

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程，可以有三种方法：

从线程函数return。这种方法对主线程不适用，从main函数return相当于调用exit。
一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
线程可以调用pthread_exit终止自己。

用pthread_cancel终止一个线程分同步和异步两种情况，比较复杂，本章不打算详细介绍，读者可以参考[APUE2e]。下面介绍pthread_exit的和pthread_join的用法。

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *value_ptr);

value_ptr是void *类型，和线程函数返回值的用法一样，其它线程可以调用pthread_join获得这个指针。

需要注意，pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

#include <pthread.h>

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

返回值：成功返回0，失败返回错误号

调用该函数的线程将挂起等待，直到id为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的，总结如下：

如果thread线程通过return返回，value_ptr所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，value_ptr所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，value_ptr所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。

如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给value_ptr参数。

看下面的例子（省略了出错处理）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void *thr_fn1(void *arg)
{
	printf("thread 1 returning\n");
	return (void *)1;
}

void *thr_fn2(void *arg)
{
	printf("thread 2 exiting\n");
	pthread_exit((void *)2);
}

void *thr_fn3(void *arg)
{
	while(1) {
		printf("thread 3 writing\n");
		sleep(1);
	}
}

int main(void)
{
	pthread_t   tid;
	void        *tret;

	pthread_create(&tid, NULL, thr_fn1, NULL);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 1 exit code %d\n", (int)tret);

	pthread_create(&tid, NULL, thr_fn2, NULL);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 2 exit code %d\n", (int)tret);

	pthread_create(&tid, NULL, thr_fn3, NULL);
	sleep(3);
	pthread_cancel(tid);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 3 exit code %d\n", (int)tret);

	return 0;
}

运行结果是：

$ ./a.out 
thread 1 returning
thread 1 exit code 1
thread 2 exiting
thread 2 exit code 2
thread 3 writing
thread 3 writing
thread 3 writing
thread 3 exit code -1

可见在Linux的pthread库中常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。可以在头文件pthread.h中找到它的定义：

#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join获取它的状态为止。但是线程也可以被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的所有资源，而不保留终止状态。不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join，这样的调用将返回EINVAL。对一个尚未detach的线程调用pthread_join或pthread_detach都可以把该线程置为detach状态，也就是说，不能对同一线程调用两次pthread_join，或者如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t tid);

返回值：成功返回0，失败返回错误号。