Linux----线程

一、基础概念对比

特性	进程 (Process)	线程 (Thread)
资源分配	资源分配的基本单位（独立地址空间）	共享进程资源
调度单位	操作系统调度单位	CPU调度的最小单位
创建开销	高（需复制父进程资源）	低（共享进程资源）
通信方式	管道、共享内存、消息队列等IPC	共享全局变量（需同步机制）
隔离性	内存隔离，安全性高	共享内存，需处理竞争条件
典型组成	代码段+数据段+堆栈段+PCB	线程ID+寄存器组+栈+线程控制块TCB

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二、线程组成详解

1. 核心组件

struct thread_struct {pthread_t tid;           // 线程ID (8字节)void* stack_base;        // 栈基地址 (8字节)size_t stack_size;       // 栈大小 (Linux默认8MB)void* (*start_routine)(void*); // 入口函数指针void* arg;               // 入口函数参数// 寄存器组保存区 (约52个寄存器，约416字节)// 包括：PC、SP、通用寄存器、浮点寄存器等
};

2. 关键特征

• 线程ID：pthread_t 类型，进程内唯一
• 独立栈空间：每个线程拥有独立调用栈
• 共享资源：全局变量、堆内存、文件描述符等

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三、线程创建与管理

1. 创建函数原型

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void *), void *arg);

参数详解表

参数	类型	作用说明
thread	pthread_t*	输出参数，存储新线程ID
attr	pthread_attr_t*	线程属性（NULL使用默认属性）：<br>▪ 栈大小<br>▪ 调度策略<br>▪ 分离状态
start_routine	void* (*)(void*)	线程入口函数（返回值为线程退出状态）
arg	void*	传递给入口函数的参数

返回值

• 成功返回0
• 失败返回错误码（非errno值，需用strerror转换）
• 

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2. 编译指令

gcc program.c -lpthread -o program  # 必须链接pthread库

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3. 线程终止方式

/* 主动退出（带返回值）*/
void pthread_exit(void *retval);/* 被动终止（被其他线程取消）*/
int pthread_cancel(pthread_t thread);

注意事项

• retval必须指向堆/静态存储区，不能是线程栈内存
• 主线程退出会导致进程终止（即使其他线程仍在运行）

四、线程终止方式详解（补充）

根据POSIX标准，线程可通过以下四种方式终止执行：

1. 显式调用退出函数

void* worker(void* arg) {// 动态分配返回值int* result = malloc(sizeof(int));*result = 100;// 显式退出并传递状态值pthread_exit((void*)result);  // 正确：堆内存// pthread_exit(&local_var);  // 危险！栈内存会被回收
}

特点：

• 退出状态值通过pthread_join()获取
• 必须保证返回值内存有效性（推荐使用堆内存或全局变量）

2. 从入口函数返回

void* worker(void* arg) {static int result = 200;  // 静态存储期变量return (void*)&result;    // 等效于 pthread_exit()
}

注意：

• 返回值类型必须为void*
• 禁止返回局部变量地址（函数退出后栈空间失效）

3. 被其他线程取消

// 请求取消目标线程
pthread_cancel(tid);// 目标线程中设置取消点
void* worker(void* arg) {while(1) {pthread_testcancel();  // 手动设置取消点// 长时间工作...}return NULL;
}

关键机制：

取消类型	行为特征	设置函数
PTHREAD_CANCEL_DEFERRED（默认）	在下一个取消点终止	pthread_setcanceltype()
PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS	立即终止（可能破坏数据一致性）	pthread_setcanceltype()

4. 进程级终止

void* thread_func(void* arg) {sleep(1);printf("此消息不会被打印\n");return NULL;
}int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);// 错误示范：主线程直接返回// return 0;  // 导致所有线程立即终止// 正确做法：主线程等待子线程pthread_exit(NULL);  // 仅退出主线程，不影响其他线程
}

重要规则：

• exit()会终止整个进程及其所有线程
• 主线程return会隐式调用exit()
• 建议主线程使用pthread_exit()代替return

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五、线程状态回收机制

1. 等待线程终止

void* status;
int ret = pthread_join(tid, &status);if (ret == 0) {printf("线程退出码：%d\n", *(int*)status);free(status);  // 清理堆内存
} else {perror("等待线程失败");
}

2. 分离线程（自动回收）

// 创建时设置分离属性
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&tid, &attr, worker, NULL);// 或运行时分离
pthread_detach(tid);
//注意在建立线程后就设置分离

特性：

• 分离线程终止后自动回收资源
• 无法使用pthread_join()获取状态
• 适用于不需要返回值的后台任务

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六、线程终止流程图解

graph TDA[线程开始] --> B{终止方式}B -->|pthread_exit| C[传递状态值]B -->|return| CB -->|pthread_cancel| D[清理处理程序]B -->|exit| E[终止所有线程]C --> F[状态值存储]D --> G[调用清理栈函数]F --> H[pthread_join获取]G --> I[资源释放]E --> J[进程终止]style C fill:#c9f,stroke:#333style D fill:#f96,stroke:#333style E fill:#f00,stroke:#333

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七、最佳实践建议

1. 资源管理三原则：

   • 谁分配谁释放
   • 退出前释放非共享资源
   • 使用pthread_cleanup_push()注册清理函数

2. 取消安全设计：

   void cleanup(void* arg) {printf("清理资源：%p\n", arg);free(arg);
   }void* worker(void* arg) {void* res = malloc(1024);pthread_cleanup_push(cleanup, res);// 可能被取消的代码区while(1) {pthread_testcancel();// 关键操作...}pthread_cleanup_pop(1);  // 执行清理return NULL;
   }
   

3. 状态值传递规范：

   • 简单状态码使用int类型转换

     pthread_exit((void*)(intptr_t)error_code);
     

   • 复杂数据结构使用堆内存

     struct Result* res = malloc(sizeof(struct Result));
     /* 填充数据 */
     pthread_exit(res);

4.练习

    练习1：创建一个线程

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>void * do_something(void *arg)
{printf("do copy file---\n");return NULL;
}int main(int argc, const char *argv[])
{pthread_t tid;int ret;if((ret = pthread_create(&tid,NULL,do_something,NULL)) != 0){errno = ret;perror("pthread_create fail");return -1;}printf("-----main-------\n");sleep(1);return 0;return 0;
}

  练习2：创建多个线程

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>void * do_one(void *arg)
{printf("pthread 1 pid = %d\n",getpid());return NULL;
}void * do_two(void *arg)
{printf("pthread 2 pid = %d\n",getpid());return NULL;
}void * do_three(void *arg)
{printf("pthread 3 pid = %d\n",getpid());return NULL;
}typedef void *(*thread_cb_t)(void*);int main(int argc, const char *argv[])
{printf("---main---  pid = %d\n",getpid());pthread_t tid[3];int ret;thread_cb_t func[3] = {do_one,do_two,do_three};int i = 0;for(i = 0;i < 3;i++){if((ret = pthread_create(&tid[i],NULL,func[i],NULL)) != 0){errno = ret;perror("pthread1_create fail");return -1;}}sleep(1);return 0;return 0;
}

 练习3：线程的关闭

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>void * do_something(void *arg)
{static int ret = 100;printf("do copy file---\n");//pthread_exit("i am dead\n");pthread_exit(&ret);//return NULL;
}int main(int argc, const char *argv[])
{pthread_t tid;int ret;if((ret = pthread_create(&tid,NULL,do_something,NULL)) != 0){errno = ret;perror("pthread_create fail");return -1;}printf("-----main-------\n");int *retval;//char *retval;pthread_join(tid,(void **)&retval);//printf("*retval = %s\n",retval);printf("*retval = %d\n",*retval);sleep(1);return 0;return 0;
}

练习4：多线程拷贝文件（缺陷当文件过大，会导致偏移量出错）

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>typedef struct
{int fd_s;int fd_d;int size;int len;int id;
}msg_t;void * do_copy (void *arg)
{msg_t p = *(msg_t*)arg;lseek(p.fd_s,p.size*p.id,SEEK_SET);lseek(p.fd_d,p.size*p.id,SEEK_SET);//	printf("tid = %ld id = %d fd_s = %d fd_d = %d size = %d len = %d\n",pthread_self(),p.id,p.fd_s,p.fd_d,p.size,p.len);//调试代码char buf[p.len];int ret = read(p.fd_s,buf,p.len);write(p.fd_d,buf,ret);return NULL; 
}//cp src dest 
int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc!=3){printf("Usage: %s <src> <dest>\n",argv[0]);return -1;}int fd_s = open(argv[1],O_RDONLY);int fd_d = open(argv[2],O_WRONLY|O_TRUNC|O_CREAT,0666);if (fd_s < 0 || fd_d < 0){perror("open fail");return -1;}int n = 0;printf("Input threads num: ");scanf("%d",&n);int i = 0;int ret = 0;pthread_t tid[n];msg_t msg[n];struct stat st;if (stat(argv[1],&st) < 0){perror("stat fail");return -1;}int f_len = st.st_size;for (i = 0; i < n; ++i){msg[i].fd_s = fd_s;msg[i].fd_d = fd_d;msg[i].size = f_len / n;msg[i].id = i;#if 1if (i == n-1){ msg[i].len  = f_len - (f_len/n)*(n-1);}else {msg[i].len  = f_len/n;}
#endifret = pthread_create(&tid[i],NULL,do_copy,&msg[i]);if (ret != 0){errno = ret;perror("pthread_create fail");return -1;}}printf("----main-----\n");for (i = 0; i < n; ++i)pthread_join(tid[i],NULL);close(fd_s);close(fd_d);return 0;
}

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八、线程生命周期管理

1. 线程属性设置（示例）

pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 分离属性
pthread_attr_setstacksize(&attr, 2*1024*1024);               // 设置2MB栈

2. 线程同步机制

机制	用途	相关函数
互斥锁	保护共享资源	pthread_mutex_*系列
条件变量	线程间事件通知	pthread_cond_*系列
读写锁	读写操作分离	pthread_rwlock_*系列
信号量	控制并发访问数量	sem_*系列

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九、典型问题与解决方案

1. 资源竞争问题

场景：多个线程同时修改全局变量
解决：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void* counter_thread(void* arg) {for(int i=0; i<100000; ++i) {pthread_mutex_lock(&mutex);global_counter++;pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}

2. 僵尸线程问题

现象：已终止但未回收的线程占用系统资源
解决方案：

• 使用pthread_join阻塞回收：

  void* retval;
  pthread_join(tid, &retval);  // 类似进程的waitpid
  free(retval);                // 清理返回值
  

• 或设置分离属性：

  pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);