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Linux下多线程编程

article 2025/1/31 9:46:40

原理

1. 线程与进程的区别

2. 线程的调度

3. 线程的状态

4. 线程的同步与互斥

5. 线程的创建与销毁

代码实例

代码说明

编译和运行

注意事项

总结

原理

多线程是指在一个进程中同时运行多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务。线程是操作系统调度的最小单位，多个线程共享同一个进程的内存空间和资源，但每个线程有自己的栈和寄存器状态。

1. 线程与进程的区别

进程：进程是操作系统分配资源的基本单位，每个进程有独立的内存空间、文件描述符、环境变量等。进程之间的通信需要通过进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存等。
线程：线程是进程内的执行单元，多个线程共享进程的内存空间和资源。线程之间的通信可以通过共享内存直接进行，因此线程间的通信比进程间通信更高效。

2. 线程的调度

操作系统通过调度器来决定哪个线程在哪个CPU核心上运行。线程的调度是基于时间片轮转、优先级等算法进行的。
线程的上下文切换比进程的上下文切换开销小，因为线程共享进程的内存空间，不需要切换内存映射表。

3. 线程的状态

就绪状态（Ready）：线程已经准备好运行，等待CPU调度。
运行状态（Running）：线程正在CPU上执行。
阻塞状态（Blocked）：线程等待某个事件（如I/O操作、锁释放等）而暂停执行。
终止状态（Terminated）：线程执行完毕或被强制终止。

4. 线程的同步与互斥

互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。
条件变量（Condition Variable）：用于线程间的通信，允许线程等待某个条件成立。
信号量（Semaphore）：用于控制对共享资源的访问数量。
读写锁（Read-Write Lock）：允许多个线程同时读取共享资源，但写操作是互斥的。

5. 线程的创建与销毁

线程的创建通常通过调用操作系统提供的API（如pthread_create）来实现。
线程的销毁可以通过线程函数返回、调用pthread_exit或pthread_cancel来实现。

代码实例

在Linux下进行多线程编程通常使用POSIX线程库（pthread）。pthread 是Linux系统中用于创建和管理线程的标准API。下面是一个简单的多线程编程示例，展示了如何创建线程、传递参数以及等待线程完成。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

// 线程函数，每个线程都会执行这个函数
void* thread_function(void* arg) {
    int thread_id = *((int*)arg);  // 获取传递的参数
    printf("Thread %d is running\n", thread_id);
    pthread_exit(NULL);  // 线程退出
}

int main() {
    pthread_t threads[5];  // 定义5个线程ID
    int thread_args[5];    // 定义5个线程的参数

    // 创建5个线程
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        thread_args[i] = i;  // 设置线程参数
        int ret = pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &thread_args[i]);
        if (ret != 0) {
            printf("Error: pthread_create failed with error code %d\n", ret);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    // 等待所有线程完成
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    printf("All threads have completed.\n");
    return 0;
}

代码说明

pthread_create: 用于创建一个新的线程。它接受四个参数：
- pthread_t *thread: 指向线程ID的指针。
- const pthread_attr_t *attr: 线程属性，通常设置为NULL表示使用默认属性。
- void *(*start_routine) (void *): 线程执行的函数。
- void *arg: 传递给线程函数的参数。
pthread_join: 用于等待指定的线程结束。它接受两个参数：
- pthread_t thread: 要等待的线程ID。
- void **retval: 用于存储线程的返回值，通常设置为NULL。
pthread_exit: 用于终止调用它的线程。可以传递一个返回值，通常设置为NULL。
线程函数: 每个线程都会执行thread_function函数。在这个函数中，线程可以执行任何任务。

编译和运行

在Linux下编译这个程序，需要使用gcc并链接pthread库：

gcc -o multi_thread_example multi_thread_example.c -lpthread

然后运行生成的可执行文件：

./multi_thread_example

输出示例

Thread 0 is running
Thread 1 is running
Thread 2 is running
Thread 3 is running
Thread 4 is running
All threads have completed.

注意事项

线程安全: 在多线程编程中，多个线程可能会同时访问共享资源（如全局变量、文件等），因此需要确保线程安全。可以使用互斥锁（pthread_mutex_t）或其他同步机制来保护共享资源。
线程参数: 传递给线程的参数必须确保在线程执行期间有效。通常建议使用动态分配的内存或全局变量来传递参数。
线程退出: 线程可以通过pthread_exit显式退出，或者通过返回NULL隐式退出。
线程取消: 可以使用pthread_cancel来取消一个线程，但需要注意线程的取消点和资源清理。