[OS] pthreads-1

线程的基本概念

线程是进程中的一个单一的执行流。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程中的资源，并且在相同的地址空间中执行。多线程是提高应用程序并行性的流行方法。例如，在浏览器中，不同的标签页可以视作独立的线程。

通俗解释

简单来说，一个程序（也就是进程）可以有多个小的执行单元，这些小的执行单元叫做线程。就像是一个工厂的流水线，每条流水线都能并行地完成工作，这样整个工厂（程序）就能更快地处理任务。

在现代应用中，多线程是非常有用的。例如在浏览器中，每一个标签页可能是一个独立的线程，这样如果一个标签页卡住了，其他标签页还能继续工作，而不会全部停顿。

示例代码：使用 Pthread 实现多线程

在 C 语言中，我们可以使用 POSIX 线程（Pthread）库来实现Linux系统下的多线程编程。POSIX 线程库是基于标准的 C/C++ 线程 API，包含在 <pthread.h> 头文件中。下面我们来写一个简单的多线程程序。

#include <pthread.h>  // 包含 Pthread 库
#include <stdio.h>    // 标准输入输出库
#include <stdlib.h>   // 标准库// 线程要执行的函数
void* myThreadFunction(void* arg) {int threadID = *((int*)arg);printf("Hello from thread %d\n", threadID);pthread_exit(NULL); // 线程结束
}int main() {pthread_t threads[3];  // 创建一个线程数组，包含3个线程int threadArgs[3];     // 每个线程的参数int rc;                // 返回代码for (int i = 0; i < 3; i++) {threadArgs[i] = i + 1; // 给每个线程分配一个IDprintf("Creating thread %d\n", i + 1);rc = pthread_create(&threads[i], NULL, myThreadFunction, (void*)&threadArgs[i]);if (rc) {printf("Error: unable to create thread %d\n", rc);exit(-1);}}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < 3; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}printf("All threads completed.\n");return 0;
}

解释代码中的每个部分：

1. 头文件包含：

   • #include <pthread.h>：包含 POSIX 线程库的头文件，提供多线程的相关函数。
   • #include <stdio.h> 和 #include <stdlib.h> 用于输入输出和内存管理。

2. 线程函数：

   • void* myThreadFunction(void* arg)：这是每个线程的执行函数。它接受一个参数（这里是线程的 ID），并打印出线程的问候信息。
   • pthread_exit(NULL)：表示线程正常结束。

3. 主函数：

   • pthread_t threads[3]：声明一个包含 3 个线程的数组。
   • threadArgs[i] = i + 1：给每个线程分配一个唯一的 ID。
   • pthread_create(...)：创建线程，并启动 myThreadFunction 函数执行。
   • pthread_join(threads[i], NULL)：等待所有线程完成，主程序会在所有线程执行完毕之后再继续。

如何编译和运行代码：

• 编译命令：

• 示例输出：

Creating thread 1
Creating thread 2
Creating thread 3
Hello from thread 1
Hello from thread 2
Hello from thread 3
All threads completed.

 

2. Pthread 的创建和终止

2.1 Pthread 的声明

在使用 Pthread 时，我们需要首先声明线程变量。Pthread 使用 pthread_t 类型来声明线程。

示例：

pthread_t threads[NUM_THREAD];

pthread_t 是一个结构类型，用于标识一个线程。在上面的代码中，threads 是一个包含 NUM_THREAD 个线程的数组。

2.2 Pthread 的创建

要创建一个新线程，我们可以使用 pthread_create() 函数：

int pthread_create(pthread_t *thread,               // 线程指针，用于接收新创建的线程标识const pthread_attr_t *attr,      // 线程属性参数，可以用于设置调度策略等void *(*start_routine) (void *), // 线程函数，线程开始执行的地方void *arg                        // 传递给线程函数的参数
);

• 参数解释：

  • thread：指向 pthread_t 对象的指针，用于存储新创建的线程标识。
  • attr：用于设置线程属性的参数，可以设置线程的调度策略、分离状态等。通常为 NULL 表示使用默认属性。
  • start_routine：线程创建后将执行的函数，函数的类型为 void* function(void*)。
  • arg：指向传递给线程函数的参数的指针，可以为 NULL。

• 返回值：

  • 成功时，pthread_create() 返回 0。
  • 如果失败，则返回错误号，且线程标识不确定。

示例代码：创建线程

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define NUM_THREADS 3void* threadFunction(void* arg) {int threadID = *((int*)arg);printf("Hello from thread %d\n", threadID);pthread_exit(NULL); // 线程完成工作后调用 pthread_exit 显式退出
}int main() {pthread_t threads[NUM_THREADS];  // 声明线程数组int threadArgs[NUM_THREADS];     // 每个线程的参数int rc;                          // 返回代码for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {threadArgs[i] = i + 1; // 给每个线程分配一个 IDprintf("Creating thread %d\n", i + 1);rc = pthread_create(&threads[i], NULL, threadFunction, (void*)&threadArgs[i]);if (rc) {printf("Error: unable to create thread %d\n", rc);exit(-1);}}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}printf("All threads completed.\n");return 0;
}

在上面的代码中：

• 使用 pthread_create() 创建线程，并指定每个线程要执行的函数 threadFunction。
• 通过 pthread_join() 来等待每个线程的完成。

2.3 Pthread 的终止

线程在完成其任务时可以显式地调用 pthread_exit() 函数来终止：

void pthread_exit(void *value_ptr);

• 参数解释：
  • value_ptr：指向一个整型变量的指针，用于存储线程的返回状态。这个变量应该是全局的，这样等待该线程的其他线程就可以读取它的返回状态。

线程退出时，通常会调用 pthread_exit()，确保其他线程能够正确地获知该线程的退出状态。

在前面的示例代码中，我们使用了 pthread_exit(NULL)，表示线程成功完成其任务且没有特定的返回值。

通俗解释

pthread_create() 就像给每个工人发放工作指令，告诉他们该做什么，以及如何做；而 pthread_exit() 就是让工人在完成任务后报告说“我已经完成了”。

在代码中，pthread_create() 创建了线程，并传递了一个函数 threadFunction 给它，这个函数是线程创建后将要执行的内容。当线程完成其工作后，调用 pthread_exit() 来退出。

2.4 示例 1：使用 pthread_exit() 函数

在这个示例中，我们创建了 5 个线程，每个线程执行一个简单的打印任务，输出“Hello World!”并带有线程的 ID。以下是完整代码：

#include <pthread.h>  // 包含 Pthread 库
#include <stdio.h>    // 标准输入输出库
#include <stdlib.h>   // 标准库#define NUM_THREADS 5  // 定义线程数// 线程函数
void *PrintHello(void *threadid) {int tid = (int)threadid;  // 将传入的参数转换为整数类型printf("\n%d: Hello World!\n", tid);pthread_exit(NULL);  // 线程完成工作后退出
}int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t threads[NUM_THREADS];  // 声明一个包含 NUM_THREADS 个线程的数组int rc;  // 返回代码int t;// 创建线程for (t = 0; t < NUM_THREADS; t++) {printf("Creating thread %d\n", t);rc = pthread_create(&threads[t], NULL, PrintHello, (void *)t);if (rc) {printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);exit(-1);}}pthread_exit(NULL);  // 主线程调用 pthread_exit 以确保子线程能够执行完毕
}

代码详细解释

1. 头文件包含：

   • #include <pthread.h>：包含 POSIX 线程库的头文件，提供多线程相关函数。
   • #include <stdio.h> 和 #include <stdlib.h> 用于输入输出和内存管理。

2. 宏定义：

   • #define NUM_THREADS 5：定义线程数量为 5。

3. 线程函数 PrintHello：

   • void *PrintHello(void *threadid)：每个线程执行的函数。
   • 函数参数 threadid 是线程的 ID，将它转换为 int 类型以便输出。
   • 使用 pthread_exit(NULL) 来退出线程，确保线程正常结束。

4. 主函数 main：

   • 声明 pthread_t threads[NUM_THREADS]：包含 5 个线程的数组。
   • 使用 pthread_create() 创建线程，循环 NUM_THREADS 次，每次创建一个线程并传递线程 ID。
   • 如果 pthread_create() 失败，打印错误代码并退出程序。
   • 主线程调用 pthread_exit(NULL) 以防止主程序退出导致子线程未完成就被强制终止。

输出结果示例

Creating thread 0
Creating thread 1
Creating thread 2
Creating thread 3
Creating thread 44: Hello World!
3: Hello World!
0: Hello World!
1: Hello World!
2: Hello World!

解释输出

在这个例子中，主线程首先创建 5 个子线程，然后每个线程执行 PrintHello 函数来打印 "Hello World!" 和线程的 ID。

需要注意的是，多线程的执行顺序并不确定。因此，输出的顺序可能会有所不同，例如线程 4 可能先输出，而线程 0 可能在最后输出。这是因为每个线程是独立并行执行的，具体的执行顺序取决于系统的线程调度。

通俗解释

这个程序的目的是演示如何使用 Pthread 来创建和管理多个线程。在代码中，我们创建了 5 个独立的线程，每个线程都执行相同的函数 PrintHello，只是输出的内容不同——它们会显示各自的线程 ID。

在输出结果中，我们看到每个线程的输出顺序是随机的，这是因为多线程是并行执行的，系统会根据资源的可用性来调度每个线程何时运行。这种随机性是多线程编程的特点，也是它的优势所在——可以同时做多个任务，从而提高效率。

pthread_exit() 的作用

pthread_exit(NULL) 用于让线程正常结束。它在主线程中调用，确保所有的子线程在主线程结束之前都能够顺利完成任务。否则，如果主线程执行完毕，整个程序可能会直接退出，而导致子线程的执行被强制中断。

总结

• 使用 pthread_create() 来创建线程，并传递函数指针作为线程的任务。
• pthread_exit() 用于显式退出线程，确保它们有机会完成其任务。
• 多线程的输出顺序可能是随机的，因为线程是并行执行的。

 

2.5 示例 2：pthread_exit() 的影响

在多线程程序中，如果主线程（即 main() 函数）在子线程完成之前退出，子线程会自动终止。因此，推荐在 main() 中使用 pthread_exit()，以确保所有线程都有机会完成其任务。

#include <pthread.h>  // 包含 Pthread 库
#include <stdio.h>    // 标准输入输出库
#include <stdlib.h>   // 标准库
#include <unistd.h>   // 包含 sleep() 函数// 线程函数
void *PrintHello(void *threadid) {sleep(2);  // 线程休眠2秒printf("Hello World!\n");pthread_exit(NULL);  // 线程正常退出
}int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t thread;  // 声明一个线程int rc;            // 返回代码void *i;printf("In main: create thread\n");rc = pthread_create(&thread, NULL, PrintHello, i);if (rc) {printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);exit(1);}printf("Main thread exits!\n");// 如果取消注释 pthread_exit(NULL)，主线程会等待所有线程完成后再退出// pthread_exit(NULL);return 0;  // 主线程直接退出
}

 

代码解释

1. 头文件包含：

   • #include <pthread.h>：包含 Pthread 库的头文件，用于多线程操作。
   • #include <stdio.h> 和 #include <stdlib.h>：标准输入输出和内存管理库。
   • #include <unistd.h>：包含 sleep() 函数，用于让线程休眠指定时间。

2. 线程函数 PrintHello：

   • void *PrintHello(void *threadid)：线程的任务是休眠 2 秒后打印 "Hello World!"。
   • sleep(2)：让线程休眠 2 秒。
   • pthread_exit(NULL)：线程完成任务后调用 pthread_exit() 进行正常退出。

3. 主函数 main：

   • 声明了一个线程 pthread_t thread。
   • 使用 pthread_create() 创建线程，线程将执行 PrintHello 函数。
   • pthread_exit(NULL) 被注释掉了。如果取消注释，则主线程会等待所有子线程完成工作后再退出。

输出结果

• 如果 pthread_exit(NULL) 被注释掉（如代码所示）：

  In main: create thread
  Main thread exits!
  

• 主线程在子线程还没有完成任务时就退出了，因此子线程会被强制终止，导致 "Hello World!" 没有被输出。

• 如果 pthread_exit(NULL) 没有被注释掉

  In main: create thread
  Main thread exits!
  Hello World!
  

  主线程调用了 pthread_exit()，使得主线程会等待子线程完成所有任务后再退出。这样 "Hello World!" 会正常输出。 

通俗解释

在这个例子中，我们创建了一个子线程，子线程的任务是等待 2 秒后打印 "Hello World!"。但是，如果主线程（main()）在子线程完成之前退出，那么所有的子线程都会被强制终止。因此，我们建议在 main() 中使用 pthread_exit()，这样主线程不会立即结束，而是等待所有的子线程完成工作。

可以把主线程想象成一场演出中的主持人，而子线程是表演者。如果主持人（主线程）在表演还没结束的时候就离开了，那么表演者（子线程）就不得不中断演出。使用 pthread_exit() 可以确保主持人等到所有表演者完成他们的演出后再离场。

pthread_exit() 的作用

• 当 pthread_exit() 被调用时，主线程不会立即退出，它会等待所有的子线程完成。
• 如果主线程直接调用 return，程序会结束，所有未完成的线程会被强制终止，导致一些任务可能无法完成。

总结

• pthread_create()：用于创建线程，主线程可以用它来启动子线程。
• pthread_exit()：用于确保主线程等待所有子线程完成任务后再退出。
• 主线程的退出方式会影响子线程：如果主线程直接退出，子线程将被强制终止；使用 pthread_exit() 则可避免这个问题