Linux系统编程系列之线程

一、什么是线程

线程（Thread）是计算机中的基本执行单元，是操作系统调度的最小单位。线程是进程内的一个独立执行流程，一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但每个线程都有自己的独立栈空间以及程序计数器。

二、线程与进程的优缺点

1、线程的优点

（1）、线程创建和销毁的开销比进程小，因为线程共享进程中的地址空间和其他资源。

（2）、线程可以同时执行多个任务，提高了系统的并发性能。

（3）、线程之间的通信和同步比进程之间的通信和同步更快捷和简单，因为线程共享同一进程的内存。

（4）、线程可用于执行GUI等交互性任务而不会卡住整个应用程序。

2、线程的缺点

（1）、多线程访问共享数据时，需要使用同步技术，否则会导致不可预期的结果。

（2）、 线程的调试和bug定位比较困难，因为多个线程共享进程的执行环境。

（3）、如果线程中出现了异常，可能会影响整个进程。

3、进程的优点

（1）、进程相互独立，不会相互影响，因此更加健壮和安全。

（2）、进程可以在不同的硬件和操作系统上运行，更具有可移植性。

（3）、进程使用管道等IPC（进程间通信）机制可以方便的实现进程之间的通信和同步。

4、进程的缺点

（1）、进程创建和销毁的开销比较大，因为每个进程都需要独立的地址空间和系统资源。

（2）、进程之间通信和同步需要使用IPC技术，比较繁琐和复杂。

（3）、进程的并发性能比较差，不能同时执行多个任务。

三、线程的使用场景

1、多任务处理：多线程可以同时处理多个任务，提高程序的执行效率和响应速度。

2、并发访问：当多个线程同时访问共享资源时，需要使用线程控制技术，避免出现竞态条件和死锁等问题。

3、异步编程：线程可以在后台执行一些耗时的操作，不会阻塞主线程，提高程序的用户体验。

4、服务器编程：服务器一般要同时处理多个客户端请求，使用多线程可以提高服务器的并发处理能力。

5、图形界面编程：图形界面程序中需要使用线程避免阻塞用户界面，实现异步更新UI界面。

6、大数据处理：对于大数据处理和分析，多线程可以提高数据处理的效率和速度。

7、游戏开发：游戏开发中需要实时更新游戏画面和处理用户输入，需要使用多线程技术实现。

四、与线程有关的函数API

1、线程的创建

创建一条POSIX线程非常简单，只需要指定线程的执行函数即可

// 创建一条线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);// 接口说明：返回值：成功返回0，失败返回一个错误码参数thread：新线程的TID参数attr：线程属性，若创建标准线程则该参数可设置为NULL参数start_routine：线程函数，是一个回调函数，跟信号的例程函数有点像参数arg：线程函数的参数

2、线程的退出

与进程类似，当一条线程执行完毕其任务时，可以使用接口来退出

// 线程的退出
void pthread_exit(void *retval);// 接口说明参数retval：线程的返回值，若线程没有数据可返回则可写成NULLpthread_exit()与exit()的区别
pthread_exit()：退出当前线程
exit()：退出当前进程（即退出进程中的所有进程）

3、线程的结合

与进程类似，线程退出后不会立即释放其所占有的系统资源，而会成为一个僵尸线程。其他线程可使用pthread_join()来释放僵尸线程的资源，并可获得其退出时返回的退出值，该函数接口被称为线程的接合函数：

// 阻塞等待指定线程退出
int pthread_join(pthread_t tid, void **val);// 非阻塞接合指定线程退出
int pthread_tryjoin_np(pthread_t tid, void **retval);// 在指定时间内阻塞接合指定线程的退出
int pthread_timedjoin_np(pthread_t tid, void **retval, const struct timespec *ashtime);// 接口说明（1）若指定tid的线程尚未退出，那么该函数将持续阻塞（2）若只想阻塞等待指定线程tid退出，而不想要其退出值，那么val可置为NULL（3）若指定tid的线程处于分离状态，或者不存在，则该函数会出错返回

4、获取线程TID

// 获取线程TID
pthread_t pthread_self(void);// 接口说明返回值：线程TID该接口类似进程管理中的getpid()，但是进程的PID是系统全局资源，而线程的TID仅限于进程内部的线程间有效。当我们要对某条线程执行发送信号，取消，阻塞接合等操作时，需要用到线程的TID。

5、线程错误码

线程函数对系统错误码的处理跟标准C库函数的处理方式有很大不同，标准C库函数会对全局错误码errno进行设置，而线程函数发生错误时会直接返回错误码。以线程接合为例，若要判定接合是否成功，成功的情况下输出僵尸线程的退出值，失败的情况下输出失败的原因，实现代码应该这么写

#include <error.h> // 头文件中定义了errno变量void *val;errno = pthread_join(tid, &val);if(errno == 0)
{printf("成功接合线程，其退出值为：%d\n", (int)val;
}
else
{perror("接合线程失败");
}

6、函数单例

许多时候，我们希望某个函数只被严格执行一次，这种需求在一些初始化功能模块中尤为常见，但是如果某个进程中内含多条线程，无法预先知晓哪条线程会先执行，那么初始化就会被执行多次，但如果使用函数单例就会只执行一次。

// 函数单例启动接口
int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));// 接口说明参数once_control：用来关联某个函数单例，被关联的函数单例只会被执行一遍参数init_routine：函数指针指向的函数就是只执行一遍的函数单例// 通常参数once_control指定为函数单例控制pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

五、案例

// 线程的案例#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int flag = 0;   // 简单的标志位来控制同步
char data[100];// 线程1的例程函数，用来接收数据
void *recv_routine(void *arg)
{printf("I am recv_routine, my tid = %ld\n", pthread_self());while(1){if(flag){printf("pthread1 read data: %s\n", data);memset(data, 0, sizeof(data));flag = 0;}}
}// 线程2的例程函数，用来发送数据
void *send_routine(void *arg)
{printf("I am send_routine, my tid = %ld\n", pthread_self());while(1){printf("please input data:\n");fgets(data, 100, stdin);printf("pthread2 send data\n");flag = 1;}
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid1, tid2;// 创建线程1，用来接收数据errno = pthread_create(&tid1, NULL, recv_routine, NULL);if(errno == 0){printf("pthread create recv_routine success, tid = %ld\n", tid1);}else{perror("pthread create recv_routine fail\n");}// 创建线程2，用来发送数据errno = pthread_create(&tid2, NULL, send_routine, NULL);if(errno == 0){printf("pthread create send_routine success, tid = %ld\n", tid2);}else{perror("pthread create send_routine fail\n");}// 一定要加这个，否则主函数直接退出，相当于进程退出，所有线程也退出// 或者加上while(1)等让主函数不退出pthread_exit(0);return 0;
}