【Linux】Linux线程

一、Linux线程的概念

1.什么是线程

1.一个进程的一个执行线路叫做线程，线程的一个进程内部的控制序列。

2.一个进程至少有一个执行线程

3.线程在进程内部，本质是在进程地址空间内运行

4.操作系统将进程虚拟地址空间的资源分配给每个执行流，就成了线程执行流。

2.线程的优点

1.创建新线程的成本远低于创建新进程。

2.与进程切换相比，线程切换需要较少的操作系统资源。

3.线程比进程占用更少的资源。

4.它们能有效地利用多处理器并行处理的能力。

5.在等待缓慢的I/O操作时，程序还可以进行其他计算任务。

6.在多处理器系统中，计算密集型应用通过分解计算任务到多个线程中来运行。

7.I/O密集型应用通过重叠I/O操作来提升性能，允许线程同时等待多个I/O操作。

3.线程的缺点

a.增加额外开销

计算密集型线程，若很少受外部事件阻塞，通常不能与其他线程共享同一处理器。当计算密集型线程的数量超过可用处理器时，可能会导致显著的性能损失。这种性能损失主要是由于增加了额外的同步和调度开销，而可用资源保持不变。

b.线程安全

多线程编程需要更全面和深入的考量。在多线程程序中，由于时间分配上的微小偏差或共享了不应共享的变量，可能会产生不良影响，这意味着线程之间缺乏必要的保护。

c.缺乏访问控制

进程是访问控制的基本单位。在一个线程中调用某些操作系统函数可能会影响整个进程。

d.编程难度提高

编写和调试多线程程序比单线程程序更加困难。

e.线程异常

如果单个线程出现除零错误或野指针问题导致崩溃，整个进程也会因此崩溃。线程是进程的执行分支，一旦线程发生异常，就相当于进程发生异常，这将触发信号机制并终止进程。一旦进程终止，该进程内的所有线程也将随之退出。

二、Linux下进程与线程的区别

进程是资源分配的基本单位 线程是调度的基本单位

1.资源的区别

线程共享进程的数据，同时也有它们自己独立的数据部分：

线程ID

一组寄存器

栈

errno

信号屏蔽字

调度优先级

进程中的多个线程共享同一个地址空间，因此Text Segment、Data Segment都是共享的。如果定义了一个函数，它可以在所有线程中被调用；如果定义了一个全局变量，它也可以在所有线程中被访问。除此之外，所有线程还共享其他进程资源和环境：

文件描述符表

每种信号的处理方式

当前工目录

用户id和组id

2.切换开销

从一个进程切换到另一个进程，需要保存当前进程的状态并恢复新进程的状态，这个过程称为上下文切换。而线程切换的开销较小，因为线程共享相同的地址空间，不需要改变地址空间的映射关系。

3.同步与通信

进程之间的通信需要进行进程间通信（IPC），如管道、消息队列等，这些方法效率较低。而线程之间的通信可以直接通过共享内存、全局变量等方式进行，效率较高。

4.单元性

进程是独立的执行单位，一个进程崩溃不会影响其他进程。而线程共享同一个进程的资源，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃。

三、Linux线程控制

1.POSIX线程库

POSIX线程库（POSIX Threads）也被称为pthread库，是一套线程创建、同步、调度和管理的标准接口，定义了在多线程程序中使用线程的API和语义。POSIX线程库通常用于UNIX和类UNIX操作系统（如Linux）上。

POSIX线程库的主要特点包括：

  1. 标准化接口： POSIX线程库定义了一套标准的线程操作接口，包括线程的创建、销毁、同步等操作，使得多线程程序能够以跨平台的方式编写。

  2. 线程管理： POSIX线程库提供了对线程的管理功能，包括线程创建、退出、同步、互斥锁、条件变量、信号量等。

  3. 线程调度： POSIX线程库定义了线程的调度接口，可以设置线程的调度策略、优先级和调度参数。

  4. 线程同步： 提供了各种线程同步的机制，确保多个线程之间的协作和同步。

在使用POSIX线程库时，需要包含 <pthread.h> 头文件，并链接 -lpthread 库。

2.创建线程

使用pthread_create()函数

函数声明：

参数解析

thread:返回线程ID

attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性

start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数

arg:传给线程启动函数的参数

返回值：成功返回0；失败返回错误码

错误检查：

传统的一些函数在成功时返回0，在失败时返回-1，并且会对全局变量errno赋值以指示错误类型。

而pthreads函数在出错时不会设置全局变量errno（尽管大多数其他POSIX函数会这样做），它们会通过返回值来传递错误代码。

pthreads也提供了线程内的errno变量，以便支持其他依赖errno的代码。但对于pthreads函数的错误处理，建议通过检查返回值来判断，因为这比读取线程内的errno变量要节省开销。

示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h> 
#include "Thread.hpp"void *Printf(void *arg)
{printf("wohu!, 我是一个线程...\n");sleep(2);   }using namespace std;
int main()
{pthread_t pid;int ret = pthread_create(&pid, nullptr, Printf, nullptr);if(ret != 0){cerr << " 线程创建错误" << endl;exit(EXIT_FAILURE);}pthread_join(pid,nullptr);return 0;
}

3、线程ID与虚拟地址空间的关系

pthread_create函数生成一个线程ID，存储在第一个参数所指的地址。这个线程ID与之前提到的不同。

先前提到的线程ID是进程调度的一部分。由于线程是轻量级的进程，是操作系统调度的基本单位，因此它需要一个唯一的数值来标识。

pthread_create函数的第一个参数指向一个虚拟内存单元，这个内存单元的地址就是新线程的线程ID，这属于NPTL线程库的范围。线程库的操作都是基于这个线程ID进行的。

NPTL线程库还提供了pthread_self函数，用于获取线程自身的ID。

对于Linux目前实现的NPTL实现而言，pthread_t类型的线程ID，本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

4.线程终止

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程,可以有三种方法:

1. 从线程函数中返回。这种方法不适用于主线程，因为从main函数中返回等同于调用exit。

2. 线程可以通过调用pthread_exit来结束自己。

3. 一个线程可以通过调用pthread_cancel来终止同一进程中的另一个线程。

5.线程等待

为什么需要线程等待？

已退出的线程，其空间未被释放，仍在进程地址空间内。

新创建的线程将不会复用之前退出线程的地址空间。

使用pthread_join来进行线程等待

调用该函数的线程会挂起等待，直到标识为thread的线程终止。thread线程的终止方式不同，通过pthread_join获得的终止状态也不同，具体如下：

1. 如果thread线程通过return返回，value_ptr所指向的单元中存放的是thread线程函数的返回值。
2. 如果thread线程被其他线程以pthread_cancel调用异常终止，value_ptr所指向的单元中存放的是常量PTHREAD_CANCELED。
3. 如果thread线程通过调用pthread_exit自行终止，value_ptr所指向的单元中存放的是传递给pthread_exit的参数。
4. 如果不关心thread线程的终止状态，可以向value_ptr参数传递NULL值。

6.线程分离

默认情况下，新创建的线程是可连接的。线程结束后，必须执行pthread_join操作以释放资源，否则可能导致系统资源泄露。如果不需要线程的返回值，join操作可能显得多余。在这种情况下，我们可以设置线程在退出时自动释放其资源。

使用pthread_detach进行线程分离

int pthread_detach(pthread_t thread);

也可以自己分离

pthread_detach(pthread_self());

四、Linux线程互斥

1.线程互斥的前置概念

临界资源：指多线程执行流中共享的资源。

临界区：是指在每个线程中访问临界资源的那部分代码。

互斥：确保任何时刻只有一个执行流能进入临界区访问临界资源，起到保护临界资源的作用。

原子性：指的是不可被任何调度机制中断的操作，这种操作只有完成或未完成两种状态。

2.互斥锁mutex

多个执行流同时访问同一个临界资源会带来一些问题，这个时候就需要用到锁。

2.1比如说下面这个简单的卖票场景：

四个线程同时卖100张票

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h> 
#include "Thread.hpp"
int t = 100;void *tick(void *arg)
{while(1){if(t < 0){break;}else{usleep(1000);printf("线程%d卖: %d\n", pthread_self(), t);t--;}}return nullptr;
}int main()
{pthread_t t1,t2,t3,t4;pthread_create(&t1, nullptr, tick, nullptr);pthread_create(&t2, nullptr, tick, nullptr);pthread_create(&t3, nullptr, tick, nullptr);pthread_create(&t4, nullptr, tick, nullptr);pthread_join(t1,nullptr);pthread_join(t2,nullptr);pthread_join(t3,nullptr);pthread_join(t4,nullptr);return 0;
}

运行结果：

为什么会出现这样的情况？

1.if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程

2.usleep 这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段

3.t-- 操作本身就不是一个原子操作

t--的汇编代码

可以看到t--是由三条汇编代码组成的，所以t--不是原子的。

要解决上述问题，需确保三个条件得到满足：

1.代码必须实现互斥，当一个线程进入临界区执行时，其他线程不得进入此临界区。

2.若多个线程同时请求执行临界区代码，而且临界区内没有线程在执行，则只能让一个线程进入该临界区。

3.若线程未在临界区内执行，则不应阻止其他线程进入临界区。

本质上就是加锁。

2.2互斥锁的接口

2.2.1初始化mutex

1.静态初始化

把mutex定义到全局区

2.使用init函数

2.2.2销毁mutex

使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁

2.2.2mutex加锁和解锁

成功返回0,失败返回错误码

调用 pthread_ lock 时，可能会遇到以下情况:

当互斥量处于未锁定状态时，该函数会锁定互斥量，并返回成功。

如果在调用函数时，互斥量已被其他线程锁定，或者有其他线程也在申请互斥量但未能成功竞争到，那么pthread_mutex_lock调用将会阻塞（即执行流被挂起），直到互斥量被解锁。

改进之前的代码：

加上锁

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h> 
#include "Thread.hpp"
int t = 100;pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *tick(void *arg)
{while(1){ pthread_mutex_lock(&mtx);if(t < 0){pthread_mutex_unlock(&mtx);break;}else{usleep(1000);printf("线程%d卖: %d\n", pthread_self(), t);t--;pthread_mutex_unlock(&mtx);}}return nullptr;
}int main()
{pthread_t t1,t2,t3,t4;pthread_create(&t1, nullptr, tick, nullptr);pthread_create(&t2, nullptr, tick, nullptr);pthread_create(&t3, nullptr, tick, nullptr);pthread_create(&t4, nullptr, tick, nullptr);pthread_join(t1,nullptr);pthread_join(t2,nullptr);pthread_join(t3,nullptr);pthread_join(t4,nullptr);return 0;
}

运行结果：

五、Linux线程同步

同步的概念：在确保数据安全的基础上，实现线程以特定顺序访问临界资源，以有效预防饥饿问题，这一过程称为同步。

1.条件变量

当一个线程独占地访问某个变量时，它可能会发现在其他线程改变状态之前无法进行任何操作。

例如，当一个线程试图访问一个队列并发现它为空时，它不得不等待，直到另一个线程向队列中添加了一个元素。这种情况下，就需要使用条件变量。

条件变量的初始化与销毁：

等待条件满足：

唤醒等待：

一个小试例：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>int cnt = 0;pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void* count(void* args)
{pthread_detach(pthread_self());uint64_t i = (uint64_t)args;std::cout << "pthread: " << i << " create success" << std::endl;while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);pthread_cond_wait(&cond, &mutex);std::cout << "pthread: " << i << " ， cnt: " << cnt++ << std::endl;pthread_mutex_unlock(&mutex);}}int main()
{for(uint64_t i; i < 6; i++){pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, count, (void*)i);sleep(1);}std::cout << "主线程开始控制" << std::endl;while (true){sleep(1);pthread_cond_signal(&cond);//唤醒一个等待线程，默认是第一个//pthread_cond_broadcast(&cond); // 唤醒全部等待线程std::cout << "signal one thread..." << std::endl;}return 0;
}

为什么条件变量需要互斥锁？

条件变量是线程同步的一种，如果只有一个线程，那么这个线程就会一直等待下去，所以就需要多个线程通过某一个操作，来改变条件变量的状态，让原先不满足的条件变为满足，并唤醒在等待的线程。

要让条件变得满足就需要访问临界资源，为了保护临界资源就需要加锁。

条件变量的使用规范：

//等待
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）
pthread_cond_wait(cond, mutex);
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);//唤醒
pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

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