linux---多线程

1. 线程的基本概念
   • 定义：在Linux中，线程是进程内部的一个执行单元，是进程的一个实体，它是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，如代码段、数据段、打开的文件、信号处理函数等，但每个线程都有自己独立的栈空间和程序计数器（PC）。
   • 与进程的区别：
     • 进程是资源分配的基本单位，每个进程都有独立的地址空间和系统资源。而线程是进程中的执行路径，共享进程的大部分资源，这使得线程间的通信和切换成本相对较低。
     • 进程间的切换需要进行系统调用，涉及到用户态和内核态的切换，开销较大。线程切换主要是在用户态下进行，只需要保存和恢复少量的寄存器内容和栈指针，速度更快。
2. 线程库的选择 - pthread库
   • 简介：在Linux系统中，最常用的线程库是POSIX线程库（pthread）。它提供了一系列函数来创建、管理和同步线程。使用pthread库时，需要在编译时链接-lpthread选项。
3. 线程的创建 - pthread_create函数
   • 函数原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void*), void *arg);
   • 参数说明：
     • thread：这是一个指向pthread_t类型变量的指针，用于存储新创建线程的标识符。
     • attr：这是一个指向pthread_attr_t类型的指针，用于设置线程的属性，如线程的栈大小、调度策略等。如果为NULL，则使用默认属性创建线程。
     • start_routine：这是一个函数指针，指向线程的起始函数。线程创建成功后，会从这个函数开始执行。该函数的参数是一个void*类型的指针，返回值也是一个void*类型的指针。
     • arg：这是传递给start_routine函数的参数，通过void*类型的指针传递，可以传递任何类型的数据，在start_routine函数内部需要进行适当的类型转换。
   • 返回值：
     • 成功时返回0，表示线程创建成功。
     • 失败时返回一个错误码，并且不会创建线程。可以通过strerror函数将错误码转换为对应的错误信息。
   • 示例代码（创建一个简单的线程）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
// 线程执行的函数
void *thread_function(void *arg) {// 在这里编写线程要执行的任务printf("这是一个新线程。\n");// 线程结束时返回NULLreturn NULL;
}
int main() {pthread_t thread_id;int result;// 创建线程result = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);if (result!= 0) {// 如果创建线程失败，打印错误信息perror("线程创建失败");return 1;}// 主线程继续执行其他任务，这里简单地等待新线程结束result = pthread_join(thread_id, NULL);if (result!= 0) {perror("等待线程结束失败");return 1;}printf("主线程继续执行，线程已结束。\n");return 0;
}

4. 线程的终止 - pthread_exit函数和其他方式

   • pthread_exit函数：

     • 函数原型：void pthread_exit(void *value_ptr);
     • 功能：用于显式地终止一个线程。当线程执行到pthread_exit函数时，线程会立即终止，并将value_ptr指向的值返回给等待该线程结束的线程（如果有）。这个返回值可以通过pthread_join函数获取。
       

   • 在start_routine函数中return返回：

     • 线程执行的起始函数start_routine执行return语句时，线程也会正常终止，返回值的处理方式和pthread_exit类似。

   • 线程被其他线程取消（pthread_cancel函数）：

     • 函数原型：int pthread_cancel(pthread_t thread);
     • 功能：一个线程可以通过pthread_cancel函数来请求取消另一个线程。被取消的线程会在合适的时机（如在某些系统调用中或者在检查取消点时）终止。不过，线程可以通过设置一些属性来控制是否响应取消请求以及如何响应。
5. 线程的等待 - pthread_join函数
   • 函数原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);
   • 参数说明：
     • thread：要等待的线程的标识符。
     • value_ptr：这是一个指向void*类型指针的指针，用于存储被等待线程的返回值（如果线程通过pthread_exit函数或者在start_routine函数中return返回了一个值）。如果不需要获取返回值，可以将这个参数设置为NULL。
   • 返回值：
     • 成功时返回0，表示成功等待线程结束并获取了返回值（如果需要获取）。
     • 失败时返回一个错误码，并且不会正确等待线程结束。
6. 线程的同步 - 互斥锁（Mutex）
   • 基本概念：
     • 互斥锁用于保护共享资源，防止多个线程同时访问和修改共享资源而导致数据不一致。互斥锁有两种状态：锁定和解锁。当一个线程获取了互斥锁（锁定状态）后，其他线程如果试图获取同一把互斥锁，就会被阻塞，直到该锁被释放（解锁状态）。
   • 互斥锁相关函数：
     • pthread_mutex_init函数：用于初始化一个互斥锁。函数原型为int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);，其中mutex是指向pthread_mutex_t类型变量的指针，用于存储互斥锁，attr是指向互斥锁属性的指针，如果为NULL，则使用默认属性初始化。
     • pthread_mutex_lock函数：用于获取（锁定）互斥锁。函数原型为int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);，如果互斥锁已经被其他线程锁定，调用该函数的线程会被阻塞，直到互斥锁被释放。
     • pthread_mutex_unlock函数：用于释放（解锁）互斥锁。函数原型为int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);，当一个线程完成对共享资源的访问后，应该及时释放互斥锁，以便其他线程可以获取。
     • pthread_mutex_destroy函数：用于销毁互斥锁。函数原型为int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);，在互斥锁不再使用时，应该销毁它，释放相关资源。
   • 示例代码（使用互斥锁保护共享资源）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
// 定义一个共享变量
int shared_variable = 0;
// 定义互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
// 线程执行的函数
void *thread_function(void *arg) {int i;for (i = 0; i < 1000; ++i) {// 锁定互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);// 访问共享资源shared_variable++;// 解锁互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
int main() {pthread_t thread_id1, thread_id2;int result;// 初始化互斥锁result = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);if (result!= 0) {perror("互斥锁初始化失败");return 1;}// 创建两个线程result = pthread_create(&thread_id1, NULL, thread_function, NULL);if (result!= 0) {perror("线程1创建失败");return 1;}result = pthread_create(&thread_id2, NULL, thread_function, NULL);if (result!= 0) {perror("线程2创建失败");return 1;}// 等待线程结束result = pthread_join(thread_id1, NULL);if (result!= 0) {perror("等待线程1结束失败");return 1;}result = pthread_join(thread_id2, NULL);if (result!= 0) {perror("等待线程2结束失败");return 1;}// 销毁互斥锁result = pthread_mutex_destroy(&mutex);if (result!= 0) {perror("互斥锁销毁失败");return 1;}printf("共享变量的值为: %d\n", shared_variable);return 0;
}

7. 线程的同步 - 条件变量（Condition Variable）
   • 基本概念：
     • 条件变量用于在线程之间进行同步，它允许一个线程等待某个条件为真。通常与互斥锁一起使用，一个线程可以在满足某个条件时通知其他等待该条件的线程。
   • 条件变量相关函数：
     • pthread_cond_init函数：用于初始化一个条件变量。函数原型为int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);，其中cond是指向pthread_cond_t类型变量的指针，用于存储条件变量，attr是指向条件变量属性的指针，如果为NULL，则使用默认属性初始化。
     • pthread_cond_wait函数：用于让一个线程等待条件变量满足。函数原型为int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);，在调用该函数时，线程会释放已经获取的互斥锁mutex，然后进入等待状态，直到另一个线程通过pthread_cond_signal或者pthread_cond_broadcast函数唤醒它，并且在被唤醒后会重新获取互斥锁。
     • pthread_cond_signal函数：用于唤醒一个等待条件变量的线程。函数原型为int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);，它会唤醒至少一个等待条件变量cond的线程。
     • pthread_cond_broadcast函数：用于唤醒所有等待条件变量的线程。函数原型为int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);。
     • pthread_cond_destroy函数：用于销毁条件变量。函数原型为int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);，在条件变量不再使用时，应该销毁它，释放相关资源。
   • 示例代码（使用条件变量和互斥锁实现线程同步）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
// 定义互斥锁和条件变量
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
// 共享变量，表示资源是否可用
int resource_available = 0;
// 线程1执行的函数，用于生产资源
void *thread1_function(void *arg) {// 模拟生产资源的过程// 这里简单地等待一段时间后生产资源sleep(2);// 锁定互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);resource_available = 1;// 发送信号，通知等待资源的线程pthread_cond_signal(&cond);// 解锁互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}
// 线程2执行的函数，用于消费资源
void *thread2_function(void *arg) {// 锁定互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);// 检查资源是否可用，如果不可用则等待while (!resource_available) {pthread_cond_wait(&cond, &mutex);}// 消费资源，这里简单地打印一条消息printf("资源已被消费。\n");// 解锁互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}
int main() {pthread_t thread_id1, thread_id2;int result;// 初始化互斥锁和条件变量result = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);if (result!= 0) {perror("互斥锁初始化失败");return 1;}result = pthread_cond_init(&cond, NULL);if (result!= 0) {perror("条件变量初始化失败");return 1;}// 创建两个线程result = pthread_create(&thread_id1, NULL, thread1_function, NULL);if (result!= 0) {perror("线程1创建失败");return 1;}result = pthread_create(&thread_id2, NULL, thread2_function, NULL);if (result!= 0) {perror("线程2创建失败");return 1;}// 等待线程结束result = pthread_join(thread_id1, NULL);if (result!= 0) {perror("等待线程1结束失败");return 1;}result = pthread_join(thread_id2, NULL);if (result!= 0) {perror("等待线程2结束失败");return 1;}// 销毁互斥锁和条件变量result = pthread_mutex_destroy(&mutex);if (result!= 0) {perror("互斥锁销毁失败");return 1;}result = pthread_cond_destroy(&cond);if (result!= 0) {perror("条件变量销毁失败");return 1;}return 0;
}