【Linux】多线程编程基础

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📄前言

无论你是否为程序员，相信多线程这个词汇应该都有所耳闻，像是在某个优化很差的游戏中听闻这游戏甚至是单线程的，如果你对多线程感兴趣，不妨点进本文来学习多线程编程，即使没有深厚的C/C++编程基础，你也能到本文学习到如何编写多线程程序。

🌺linux线程基础

线程的概念

线程指的是系统中的执行路径，每个线程都线程系统中的一切进程都至少有一个线程，它们共享同一个进程.

其实在linux中，实际并没有真正的线程，线程通常被称为轻量级进程（LWP），这是因为在linux的实现中，线程和进程并没有什么本质的区别，只是线程被设计得更加轻量，以便更高效实现并发执行。

线程pcbtask_struc   -+                        +-------------------++--------+    |                        |    内核映射区域     ||        |    |                        +-------------------++--------+    |                        |       栈          ||                        +-------------------+task_struc    |                        |                   |+--------+    |                        |      共享库        ||        |    |                        |                   |+--------+    |                        +-------------------+|                        |        堆         |task_struc    |    指向同一地址空间      +-------------------++--------+    |-------------------+>   |      数据段        ||        |    |                        +-------------------++--------+    |                        |   未初始化数据区    ||                        +-------------------+task_struc    |                        |   已初始化数据区    |+--------+    |                        +-------------------+|        |    |                        |      代码段        |+--------+   -+                        +-------------------+

线程的优缺点

• 优点：

1. 共享资源：在同一线程的线程共享着大部分内存空间，如：代码段、数据段、文件描述符、堆、共享内存区等。这使得线程间通信非常地高效，无需IPC机制开销。
2. 独立调度：虽然线程中大部分地址空间都与主线程共享，但线程也有自己的一部分数据，如：栈与寄存器状态，这使得他们可以独立于其他线程运行。
3. 响应性：在多线程程序中，一个进程的阻塞不会影响到其他进程。
4. 资源利用率：多线程可以提高在多核处理器上运行的效率，实现并行执行。

• 缺点：

5. 编程困难：因为多线程需要考虑到临界区、互斥、同步等问题，所以对程序员的代码能力要求较高。
6. 同步复杂性：多线程的资源共享需要谨慎处理，否则会出现数据二义性问题。
7. 调试困难: 多线程调试一直都是令人头疼的问题，因为bug可能会难以复现，并且不是所有调试工具都支持多线程调试。
8. 健壮性：如果任意一个线程触发了异常，则整个程序都会终止。

线程与进程的区别

1. 定义：进程是资源分配的最小单位，线程则是cpu调度执行的最小单位。
2. 资源共享：进程之间资源独立，同一进程内的线程共享进程资源。
3. 创建开销：线程的创建和切换开销都小于进程，因为线程之间资源共享。

线程的创建

• 函数接口介绍：头文件：<pthread.h>

1. 创建线程：

// 创建线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);// pthread_t 是 POSIX 线程（Pthreads）库中定义的一个数据类型，用于唯一标识一个线程

• 参数
  • thread: 线程
  • attr: 指定线程属性的指针，可设为NULL
  • start_routine:线程开始执行的函数
  • arg: start_routine 函数的参数

2. 回收线程：

// 等待线程结束并回收线程的资源，防止类似“僵尸进程”的情况
int pthread_join(pthread_t thread, void** retval);

• 参数：
  • thread：用于回收的线程id;
  • retval：用于存储线程的返回值。

3. 退出线程：

// 用于终止当前的线程，因为exit会终止整个进程，所以有了这个函数
void pthread_exit(void* retval);

• 参数：
  • retval：退出线程时返回的值

4. 分离线程：

// 如果觉得join操作是一种负担的时候，可以使用pthread_detach
// 用于分离线程，当线程结束时，自动回收线程资源。
int pthread_detach(pthread_t thread);

• 参数：
  • thread:分离的线程id

介绍完了函数接口，就到实践的时间啦。

• 使用函数

#include <pthread.h>
#include <iostream>void *thread_func(void *arg)
{// 获取当前线程的tidstd::cout << "Thread" << (char *)arg << " id:" << gettid() << " started" << std::endl;int cnt = 10;while (cnt >= 0){std::cout << "Thread" << (char *)arg << " id:" << gettid() << " is running, cnt = " << cnt << std::endl;cnt--;sleep(1);}// 子线程退出pthread_exit(nullptr); // 可有可无
}void *func_test(void* args)
{printf("I LOVE LINUX\n");pthread_detach(pthread_self());	// 使用pthread_self()可以使子线程自己分离。return nullptr;
}int main()
{pthread_t thread, thread2;pthread_create(&thread, nullptr, thread_func, (void *)"-1");pthread_create(&thread2, nullptr, func_test, nullptr);// 主线程等待子线程结束pthread_join(thread, NULL); // 回收线程return 0;
}

🌻linux线程冲突

概念

多线程的高效率也是存在着代价的，当多个线程同时访问一份资源时，就会发生线程冲突(数据二义性)，我们一般将这些多个线程都要访问的资源称为临界区。

要探讨数据二义性问题，就得从汇编代码开始讲解

; 例如一个简单的++操作，看似只做了一个操作，但在汇编中却并不是这样。MOV EAX, [x]   ; 将x的值加载到EAX寄存器
INC EAX        ; 将EAX寄存器的值增加1		
MOV [x], EAX   ; 将修改后的值存回内存位置x; 多个线程同时访问这个资源（x），当线程1在将x放入寄存器EAX时，线程2可能就已经将x++，并改变了内存的数值
; 线程1将寄存器的值++后，又放回了x的内存。建议使用vs2022 进行反汇编调试来观看现象。

• 线程冲突演示

#include <pthread.h>
#include <iostream>int x = 0;void *func(void *args)
{for (int i = 0; i < 100000000; i++)	//数值越大，冲突概率越大++x;pthread_exit(nullptr);
}int main()
{// 线程冲突演示pthread_t pid1, pid2;pthread_create(&pid1, nullptr, func, nullptr);pthread_create(&pid2, nullptr, func, nullptr);pthread_join(pid1, nullptr);	//回收线程pthread_join(pid2, nullptr);cout << "x = " << x << endl;return 0;
}
// 结果：
// x = 154698688

解决方案： 为了解决这种情况，就得当线程访问临界区资源时限制为一个线程访问，也就是说，需要给线程加锁。

互斥锁函数介绍

1. 创建锁

// 初始化锁 pthread_mutex_t 用于声明互斥量（mutex）对象。// 静态加锁 (全局变量或静态进行初始化)
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;// 动态初始化
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

2. 线程加锁

// 给线程加锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

• 参数：
  • mutex：指向互斥锁对象

2. 互斥锁解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

• 参数：
  • mutex：指向需要解锁的互斥锁对象的指针。

注意：加锁操作本身时原子性的，所以不用担心锁的二义性。

• 互斥锁的使用：

int x = 0;
// 初始化锁对象
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *func(void *args)
{for (int i = 0; i < 100000000; i++){pthread_mutex_lock(&mutex);	//加锁++x;pthread_mutex_unlock(&mutex);	//解锁}pthread_exit(nullptr);
}int main()
{// 线程冲突演示pthread_t pid1, pid2;pthread_create(&pid1, nullptr, func, nullptr);pthread_create(&pid2, nullptr, func, nullptr);pthread_join(pid1, nullptr);pthread_join(pid2, nullptr);cout << "x = " << x << endl;return 0;
}

加锁的缺点

如果我们尝试运行程序，会发现加锁后的运行速度明显慢了不少。锁的使用会增加性能的开销，而且线程可能会变成串行执行，为了避免多余的性能开销，每次使用锁都应该避免将非临界区的资源加锁。

在一些特殊的情况下，可能会

• 死锁演示：

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *func(void *args)
{int* cnt = (int*)args;if(*cnt <= 0)	return nullptr;pthread_mutex_lock(&mtx);		// 第二次递归时等待着线程解锁std::cout << "func()" << std::endl;	--(*cnt);func(args);		// 递归进入下一层，但锁还没解锁。pthread_mutex_unlock(&mtx);	// 程序永远走不到这里。return nullptr;
}int main()
{// 线程冲突演示pthread_t pid;int* cnt = new int(10);pthread_create(&pid, nullptr, func, (void*)cnt);pthread_join(pid, nullptr);return 0;
}

📓总结

多线程编程
	优点	缺点
资源共享	线程间共享进程资源（如代码段、数据段、文件描述符等），使得线程间通信非常高效，无需通过IPC机制开销。	多线程的资源共享需要通过同步机制（如互斥锁）来管理，否则可能导致数据不一致或竞争条件的问题。
独立调度	线程可以独立于其他线程运行，拥有自己的执行路径。这增加了应用程序的响应性和处理效率。	线程调度引入了上下文切换的开销，尤其是在高度竞争的环境中，可能降低整体性能。
效率提升	在多核处理器上，多线程能够利用额外的核心执行更多的任务，提高了程序的执行效率和资源利用率。	编写高效的多线程程序需要深入理解并发、同步等概念，增加了开发的复杂度。

多线程编程是一把双刃剑，使用多线程能够显著提升程序的性能，但它也为程序带来了许多潜在的风险，在处理器核心数越来越多的当今，学习多线程也变得越发重要，希望本文对你的学习有所帮助。

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