一、线程的概念

和多进程相比,多线程是一种比较节省资源的多任务操作方式。启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间,每个进程都有自己的堆栈段和数据段,系统开销比较高,进行数据的传递只能通过进行间通信的方式进行。在同一个进程中,可以运行多个线程,运行于同一个进程中的多个线程,它们彼此之间使用相同的地址空间,共享全局变量和对象,启动一个线程所消耗的资源比启动一个进程所消耗的资源要少。

二、线程的使用

1、创建线程

在Linux下,采用pthread_create函数来创建一个新的线程,函数声明:

函数声明:

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

参数thread为为指向线程标识符的地址。

参数attr用于设置线程属性,一般为空,表示使用默认属性。

参数start_routine是线程运行函数的地址,填函数名就可以了。

参数arg是线程运行函数的参数。新创建的线程从start_routine函数的地址开始运行,该函数只有一个无类型指针参数arg。若要想向start_routine传递多个参数,可以将多个参数放在一个结构体中,然后把结构体的地址作为arg参数传入,但是要非常慎重,程序员一般不会这么做。

在编译时注意加上-lpthread参数,以调用静态链接库。因为pthread并非Linux系统的默认库。

2、线程的终止

 如果进程中的任一线程调用了exit,则整个进程会终止,所以,在线程的start_routine函数中,不能采用exit。

线程的终止有三种方式:

1)线程的start_routine函数代码结束,自然消亡。

2)线程的start_routine函数调用pthread_exit结束。

3)被主进程或其它线程中止。

pthread_exit函数的声明如下:

void pthread_exit(void *retval);

参数retval填空,即0。

3、多线程的socket服务端

我们把TCP通信的服务端(book250.cpp)程序改一下,由多进程改为多线程。

示例(book261.cpp)

/*
 * 程序名:book261.cpp,此程序用于演示多线程的socket通信服务端
 * 作者:C语言技术网(www.freecplus.net) 日期:20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
class CTcpServer
{
public:
  int m_listenfd;   // 服务端用于监听的socket
  int m_clientfd;   // 客户端连上来的socket
 
  CTcpServer();
 
  bool InitServer(int port);  // 初始化服务端
 
  bool Accept();  // 等待客户端的连接
 
  // 向对端发送报文
  int  Send(const void *buf,const int buflen);
  // 接收对端的报文
  int  Recv(void *buf,const int buflen);
 
  // void CloseClient();    // 关闭客户端的socket,多线程服务端不需要这个函数。
  // void CloseListen();    // 关闭用于监听的socket,多线程服务端不需要这个函数。
 
 ~CTcpServer();
};
 
CTcpServer TcpServer;
 
// SIGINT和SIGTERM的处理函数
void EXIT(int sig)
{
  printf("程序退出,信号值=%d\n",sig);
 
  close(TcpServer.m_listenfd);  // 手动关闭m_listenfd,释放资源
 
  exit(0);
}
 
// 与客户端通信线程的主函数
void *pth_main(void *arg);
 
int main()
{
  // 忽略全部的信号
  for (int ii=0;ii<50;ii++) signal(ii,SIG_IGN);
 
  // 设置SIGINT和SIGTERM的处理函数
  signal(SIGINT,EXIT); signal(SIGTERM,EXIT);
 
  if (TcpServer.InitServer(5051)==false)
  { printf("服务端初始化失败,程序退出。\n"); return -1; }
 
  while (1)
  {
    if (TcpServer.Accept() == false) continue;
 
    pthread_t pthid;   // 创建一线程,与新连接上来的客户端通信
    if (pthread_create(&pthid,NULL,pth_main,(void*)((long)TcpServer.m_clientfd))!=0)
    { printf("创建线程失败,程序退出。n"); return -1; }
 
    printf("与客户端通信的线程已创建。\n");
  }
}
 
CTcpServer::CTcpServer()
{
  // 构造函数初始化socket
  m_listenfd=m_clientfd=0;
}
 
CTcpServer::~CTcpServer()
{
  if (m_listenfd!=0) close(m_listenfd);  // 析构函数关闭socket
  if (m_clientfd!=0) close(m_clientfd);  // 析构函数关闭socket
}
 
// 初始化服务端的socket,port为通信端口
bool CTcpServer::InitServer(int port)
{
  if (m_listenfd!=0) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; }
 
  m_listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);  // 创建服务端的socket
 
  // 把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族,在socket编程中只能是AF_INET
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本主机的任意ip地址
  servaddr.sin_port = htons(port);  // 绑定通信端口
  if (bind(m_listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { close(m_listenfd); m_listenfd=0; return false; }
 
  // 把socket设置为监听模式
  if (listen(m_listenfd,5) != 0 ) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; return false; }
 
  return true;
}
 
bool CTcpServer::Accept()
{
  if ( (m_clientfd=accept(m_listenfd,0,0)) <= 0) return false;
 
  return true;
}
 
int CTcpServer::Send(const void *buf,const int buflen)
{
  return send(m_clientfd,buf,buflen,0);
}
 
int CTcpServer::Recv(void *buf,const int buflen)
{
  return recv(m_clientfd,buf,buflen,0);
}
 
// 与客户端通信线程的主函数
void *pth_main(void *arg)
{
  int clientfd=(long) arg; // arg参数为新客户端的socket。
 
  // 与客户端通信,接收客户端发过来的报文后,回复ok。
  char strbuffer[1024];
 
  while (1)
  {
    memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
    if (recv(clientfd,strbuffer,sizeof(strbuffer),0)<=0) break;
    printf("接收:%s\n",strbuffer);
 
    strcpy(strbuffer,"ok");
    if (send(clientfd,strbuffer,strlen(strbuffer),0)<=0) break;
    printf("发送:%s\n",strbuffer);
  }
 
  printf("客户端已断开连接。\n");
 
  close(clientfd);  // 关闭客户端的连接。
 
  pthread_exit(0);
}

需要注意几个问题:

1)线程主函数的函数体中,不能使用return;语句,如果想退出线程,可以用pthread_exit(0);返回。

2)线程可以共享全局变量,当然也可以共享TcpServer的m_clientfd成员变量,但是,创建线程的时候,为什么要把客户端的socket用参数传给线程主函数,而不是直接获取TcpServer.m_clientfd的值,因为主进程调用pthread_create创建线程后,立即返回循环重新Accept,创建线程需要时间,如果在这段时间内有新的客户端连接上来,TcpServer.m_clientfd的值会发生改变。

3)TcpServer.m_clientfd的强制转换,在创建线程的时候,代码如下:

    if (pthread_create(&pthid,NULL,pth_main,(void*)((long)TcpServer.m_clientfd))!=0)

线程中的代码如下:

  int clientfd=(long) arg; // arg参数为新客户端的socket。

这种数据类型的转换方法可能会让初学者不理解,在学习指针的时候说过,指针是用来存放变量的地址,不能把整数赋给指针,那现在这是怎么回事?这么说吧,C语言很灵活,数据类型可以强制转换,怎么转过去就怎么转回来。举个例子:水桶是用来装水的,特殊情况下用水桶来装板砖其实也可以,但是,板砖放入水桶的方法和从水桶中取出板砖的方法与水不同,怎么放进去就怎么取出来。

4)book261.cpp程序有一个漏洞,没有保存客户端的socket,主程序退出时,没有关闭客户端的socket,资源没有释放,这么说您可能难以理解,没有关系,等您真的需要编写多线程的socket服务端程序的时候就明白了。

三、线程资源的回收

线程有joinable和unjoinable两种状态,如果线程是joinable状态,当线程主函数终止时(自己退出或调用pthread_exit退出)不会释放线程所占用内存资源和其它资源,这种线程被称为“僵尸线程”。创建线程时默认是非分离的,或者称为可连接的(joinable)。

避免僵尸线程就是如何正确的回收线程资源,有四种方法:

1)方法一:创建线程后,在创建线程的程序中调用pthread_join等待线程退出,一般不会采用这种方法,因为pthread_join会发生阻塞。

  pthread_join(pthid,NULL);

2)方法二:创建线程前,调用pthread_attr_setdetachstate将线程设为detached,这样线程退出时,系统自动回收线程资源。

  pthread_attr_t attr;
  pthread_attr_init(&attr);
  pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);  // 设置线程的属性。
  pthread_create(&pthid,&attr,pth_main,(void*)((long)TcpServer.m_clientfd);

3)方法三:创建线程后,在创建线程的程序中调用pthread_detach将新创建的线程设置为detached状态。

  pthread_detach(pthid);
  4)方法四:在线程主函数中调用pthread_detach改变自己的状态。
  pthread_detach(pthread_self());

四、查看线程

1)在top命令中,如果加上-H参数,top中的每一行显示的不是进程,而是一个线程。

top -H

2)在ps命令中加-xH参数也可以显示线程,加grep可以过滤内容。

ps -xH
ps -xH|grep book261

五、应用经验

Linux没有真正意义上的线程,它的实现是由进程来模拟,属于用户级线程。所以,在Linux系统下,进程与线程在性能和资源消耗方面没有本质的差别。

对我们程序员来说,进程不能共享全局数据,线程可以共享全局数据,各位可以根据应用场景选择采用多进程或多线程。

六、版权声明

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来源:C语言技术网(www.freecplus.net

作者:码农有道

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