Posix pthread

C++ pthread

虽然C++ 11增加了标准线程库：std::thread。但是在一些不需要跨平台的场景，或者一些历史库中，依然大量使用着pthread库，所以两者都要学，两者都要硬。

基础知识

Posix Thread是操作系统级的API规范，用来定义线程及线程间同步操作，采用C语言定义，主要在unix like系统上实现。

首先看一个最简单的多线程例子：

void *func(void *t) {
    // 获取创建线程传递的参数
    int arg = *((int *) t);
    cout << "Sleeping in thread " << endl;
    sleep(1);
    cout << "Thread with arg: " << arg << endl;
}
int main(){
    int arg = 10;
    pthread_t thread;
    int result = pthread_create(&thread, nullptr, func, (void *) &arg);
    if (result) {
        cout << "unable to create thread: " << result << endl;
        exit(-1);
    }
    // 阻塞主线程，等待子线程执行结束
    pthread_join(thread, nullptr);
    cout << "Main: program exiting." << endl;
    return 0;
}

主线程首先通过pthread_create创建子线程，然后通过pthread_join等待子线程运行结束。如果没有pthread_join，那么程序会立即结束，程序结束后，所有子线程都会被终止（子线程的线程函数可能还没执行完）。

pthread_create的函数原型如下所示：

// 创建pthread线程，返回0表示成功，否则表示失败
int pthread_create(pthread_t _Nullable * _Nonnull __restrict,
        const pthread_attr_t * _Nullable __restrict,
        void * _Nullable (* _Nonnull)(void * _Nullable),
        void * _Nullable __restrict);

四个参数：

1. 第一个参数：pthread_t*表示线程标识符指针，pthread_t是线程的唯一标识符。
2. 第二个参数：pthread_attr_t *表示对线程设置的属性，后面详细介绍。
3. 第三个参数：void*(void*)表示线程启动的线程函数，函数结束后，线程也将终止。
4. 第四个参数：void*表示向线程函数传递的参数。

线程属性pthread_attr_t

通过pthread_create函数的第二个参数可以设置线程属性，该属性是pthread_attr_t结构体，如下所示：

typedef struct {
    // 线程分离状态
    int detachstate; 
    // 线程调度策略
    int schedpolicy; 
    // 线程调度参数
    struct sched_param schedparam; 
    // 线程继承策略
    int inheritsched; 
    // 线程优先级作用域
    int scope; 
    // 线程堆栈的保护区大小  
    size_t guardsize; 
    int stackaddr_set;
    // 线程堆栈地址
    void * stackaddr; 
    // 线程堆栈大小
    size_t stacksize; 
}pthread_attr_t;

一般情况下，先通过pthread_attr_init初始化线程属性，此时所有线程属性都是默认值，然后通过pthread_create函数的第二个参数为线程设置定制属性值，最后通过pthread_attr_destroy销毁线程属性，下面看下各个线程属性。

detachstate

线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己，有两种取值：

• PTHREAD_CREATE_JOINABLE：默认值，主线程可以通过pthread_join等待子线程结束。
• PTHREAD_CREATE_DETACHED：子线程不能被其他线程同步（即pthread_join无效），函数运行结束了，线程也就终止了，且终止时自行释放所占用资源。

可以通过以下函数设置或者获取线程的分离状态：

• pthread_attr_setdetachstate：设置线程的分离状态，两个取值PTHREAD_CREATE_JOINABLE（默认值）和PTHREAD_CREATE_DETACHED。
• pthread_attr_getdetachstate：获取线程的分离状态。

schedpolicy

线程的调度策略，有三种取值：

• SCHED_FIFO(先进先出)：该策略允许线程一直运行，直到有更高优先级的线程可运行，或者线程阻塞自己。
• SCHED_RR(时间片轮转)：时间片轮转，如果一个SCHED_RR策略的线程执行时间超过了固定时间片而没有阻塞，而另外的SCHED_RR或者SCHBD_FIPO策略的相同甚至更高优先级的线程准备好了，那么当前线程的执行权将被它们抢占。
• SCHED_OTHER：默认值，综合考虑，非实时。

可以通过以下函数设置或者获取线程的调度策略：

• pthread_attr_setschedpolicy：设置线程调度策略。
• pthread_attr_getschedpolicy：获取线程调度策略。

schedparam

线程的调度参数，是一个包含了线程优先级的结构体：

struct sched_param { 
    // 线程优先级
    int sched_priority;  
    char __opaque[__SCHED_PARAM_SIZE__];
};

线程的优先级范围可以通过以下函数获取：

// 线程的最低优先级，
int sched_get_priority_min(int);
// 线程的最高优先级
int sched_get_priority_max(int);

函数参数是不同的调度策略，例如：SCHED_FIFO、SCHED_RR和SCHED_OTHER，可见不同调用策略下的线程优先级范围可能是不同的。

可以通过以下函数设置或者获取线程的调度参数：

• pthread_attr_setschedparam：设置调度参数。
• pthread_attr_getschedparam：获取调度参数，默认的线程优先级一般是中间值。

调度策略和线程优先级是一件非常复杂的事情，如果不正确使用，很容易导致死锁，慎用。

inheritsched

线程针对调度策略和调度参数的继承策略，有两个取值：

• PTHREAD_INHERIT_SCHED：默认值，表示继承创建线程的调度策略和参数。
• PTHREAD_EXPLICIT_SCHED：表示使用pthread_attr_setschedpolicy和pthread_attr_setschedparam设置的线程调度策略和参数。

可以通过以下函数设置或者获取线程的继承策略：

• pthread_attr_setinheritsched：设置线程继承策略。
• pthread_attr_getinheritsched：获取线程继承策略。

如果需要显式设置线程的调度策略和参数，那么必须在设置之前先将inheritsched属性设置为PTHREAD_EXPLICIT_SCHED。

scope

线程优先级的作用域，即线程间竞争CPU的有效范围，有两个取值：

• PTHREAD_SCOPE_SYSTEM：表示与系统中所有线程一起竞争CPU时间。
• PTHREAD_SCOPE_PROCESS：表示仅与同进程中的线程竞争CPU时间。

目前Linux只实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM。

可以通过以下函数设置或者获取线程优先级的作用域：

• pthread_attr_setscope：设置线程优先级的作用域。
• pthread_attr_getscope：获取线程优先级的作用域。

线程堆栈

线程可以共享进程内存空间，同时也有自己私有的堆栈空间。线程内的局部变量分配在私有堆栈上，线程堆栈的大小在线程创建时就确定了，若局部变量占用空间超过栈空间，就会引起coredump。

线程堆栈最小值是PTHREAD_STACK_MIN，一般是8K或者16K。可以通过pthread_attr_setstacksize设置堆栈大小，通过pthread_attr_getstacksize获取堆栈大小。这种情况下，由内核分配和释放堆栈内存。

除此之外，我们还可以自己管理堆栈内存，通过pthread_attr_setstackaddr设置堆栈地址，通过pthread_attr_getstackaddr获取堆栈地址。堆栈地址必须以Linux页面大小对齐，可以使用posix_memalign分配页面对齐的内存。此外，还可以通过pthread_attr_setstack设置堆栈地址和大小，通过pthread_attr_getstack获取堆栈地址和大小，下面看一个例子：

int main(){
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    size_t stacksize = -1;
    void *stack_addr = nullptr;
    // 获取缺省的堆栈地址和大小
    pthread_attr_getstack(&attr, &stack_addr, &stacksize);
    cout << "default stack addr: " << stack_addr << endl;
    cout << "default stack size: " << stacksize << endl;
    void *stackAddr = nullptr;
    //获取linux页大小
    int paseSize = getpagesize();
    // 设置的堆栈大小
    int size = paseSize * 2;
    cout << "paseSize: " << paseSize << endl;
    posix_memalign(&stackAddr, paseSize, size);
    // 设置新的堆栈地址和大小
    pthread_attr_setstack(&attr, stackAddr, size);
    // 获取当前堆栈地址和大小
    pthread_attr_getstack(&attr, &stack_addr, &stacksize);
    cout << "new stack addr: " << stack_addr << endl;
    cout << "new stack size: " << stacksize << endl;
    pthread_attr_destroy(&attr);
    return 0;
}
// 输出为
default stack addr: 0x0
default stack size: 524288
paseSize: 4096
new stack addr: 0x7f7f66002000
new stack size: 8192

上述代码获取的默认的堆栈大小是512K，新设置的堆栈大小是8K。

guardsize

线程堆栈的保护区大小，即当线程堆栈不够用时，在堆栈的溢出端分配的额外内存。此额外内存的作用与缓冲区一样，可以防止栈溢出。

如果guardsize为0，则不会为线程提供溢出保护区。如果guardsize大于零，则会为对应线程提供至少guardsize字节的溢出保护区。缺省情况下，guardsize大于零。可以通过以下函数设置或者获取线程堆栈的保护区大小：

• pthread_attr_setguardsize：设置线程堆栈保护区大小。
• pthread_attr_getguardsize：获取线程堆栈保护区大小。

线程同步

pthread_mutex_t

pthread_mutex_t表示互斥量，用于控制同一时刻只能有一个线程访问临界区。
相关函数如下所示：

• pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * , const pthread_mutexattr_t *)：初始化互斥量
• pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *)：销毁互斥量
• pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *)：加锁，若无法加锁，会阻塞。
• pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *)：释放锁
• pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *)：pthread_mutex_lock的非阻塞版本，若无法加锁，不会阻塞，而是直接返回，并返回非0值；若成功加锁，则直接返回0。

pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock一定要成对调用。

pthread_cond_t

pthread_cond_t表示条件变量，用于线程协同（同步）工作。

• pthread_cond_init(pthread_cond_t *, const pthread_condattr_t *)：初始化条件变量
• pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *)：销毁条件变量
• pthread_cond_wait(pthread_cond_t *, pthread_mutex_t *)：在指定条件变量上等待
• pthread_cond_signal(pthread_cond_t *)：唤醒指定条件变量上等待的一个线程
• pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *, pthread_mutex_t *, const struct timespec *)：等待到timespec指定的绝对时间，在此时间之前，若被唤醒，则返回0，否则到达绝对时间自动唤醒，返回非0值。
• pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *)：唤醒指定条件变量上等待的所有线程

不管是在指定条件变量上wait，还是唤醒（signal和broadcast）指定条件变量上的线程，都必须先获得对应锁（pthread_mutex_t）。

wait的流程：

1. pthread_mutex_lock
2. pthread_cond_wait or pthread_cond_timedwait
3. pthread_mutex_unlock

signal和broadcast的流程：

1. pthread_mutex_lock
2. pthread_cond_signal or pthread_cond_broadcast
3. pthread_mutex_unlock

pthread_cond_timedwait使用范例：

// 获取当前时间
struct timeval now;
gettimeofday(&now, nullptr);
// 指定向后延迟5S（绝对时间）
struct timespec spec;
// 秒
spec.tv_sec = now.tv_sec + 5;
// 纳秒
spec.tv_nsec = 0;
// 先加锁
pthread_mutex_lock(&mLock);
// wait到指定的绝对时间：若被提前唤醒，则返回0，否则返回非0
int result = pthread_cond_timedwait(&mCond, &mLock, &spec);
// 释放锁
pthread_mutex_unlock(&mLock);

参考文档

1. Posix多线程编程—线程属性
2. pthread_attr_init线程属性