【Linux多线程】认识多线程创建线程

news2024/10/4 20:50:54

文章目录

什么是多线程
- 为什么称linux下的线程是轻量级进程呢？
线程的优点
线程的缺点
线程异常
线程和进程
创建线程
- 1.pthread_create
- 2.pthread_self

什么是多线程

进程是正在运行的程序的实例，而线程（thread）是进程中的一个执行路线。一个进程可以拥有多个线程。从程序的角度上来说，线程是一个独立运行程序的片段。当程序运行时，进程把大部分资源合理分配给每个执行流（线程），且所有线程共享进程的地址空间，所以线程实际上就是一个轻量级的进程。下面给出进程中的线程示意图：

值得注意的是，windos下的线程是有线程控制块（TCB）的。而linux下的进程控制块和线程控制块都是task_struct。

为什么称linux下的线程是轻量级进程呢？

这是因为linux内核并没有单独为线程设计一套管理方案，而是通过相同的机制来管理进程和线程，只不过线程拥有的资源是进程的一部分，所以称linux下的线程是轻量级进程。并且，Linux内核中的调度器并不区分线程和进程，可以是单线程的进程，也可以只是一个线程。为了让用户使用起来区分线程和进程，linux向上（用户态）提供了POSI标准的线程接口（如pthread库），在内核用clone系统调用创建和管理线程。尽管有线程这个模型，但底层还是轻量级的进程。

总结：==线程是共享同一进程的地址空间和资源的执行单元=。

线程的优点

共享资源：同一进程内的线程共享地址空间，能访问相同的全局变量，堆和文件描述符等。这种共享使得线程间通信变得更加高效。
独立的执行流：每个线程都有自己的程序计数器、寄存器和栈，这使得线程可以独立执行。线程的独立性使得多个线程并行执行多个任务，提高了此程序的响应性和吞吐量。
轻量级：相比于进程，线程的创建开销会小很多，且不需要分配独立的地址空间。上下文切换也比进程快，因为不涉及地址空间的切换。
4.并发执行：在多核处理器上，不同的线程可以做到真正的并行执行

线程的缺点

同步复杂性：由于共享进程空间，多个线程同时访问和修改共享数据时可能会导致数据不一致等问题
性能损失：使用锁和其它同步机制会导致性能下降
调试难度提高：编写和调试一个多线程程序要比单线程程序困难得多

线程异常

单个线程如果出现除0或者访问野指针等问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃
进程终止，该进程的所有线程都会终止。这也就意味着，如果某一个线程出了异常进而终止进程的话，其它的线程也都会被终止。这也是线程不安全的原因之一。

线程和进程

进程是资源分配的基本单位，而线程是调度的基本单位。
具体来说，线程共享以下进程资源：
- 代码段和数据段
- 文件描述符表
- 每种信号的处理方式即handler表
- 环境变量包括当前工作目录
- 用户id和组id
虽然线程共享进程的数据，但有属于自己的一些数据：
- 线程ID
- 一组寄存器
- 栈
- errno错误流
- 信号屏蔽字
- 调度优先级

进程和线程的关系如下图：
在这里插入图片描述

创建线程

在linux中，通常使用POSIX线程库，即pthread库。pthread库提供了一组用于线程创建、管理和同步的函数，这些函数被包含在pthread.h头文件中。pthread库的主要包含了线程管理、线程同步、线程属性相关的函数，下面介绍线程管理中的一些常用函数。

1.pthread_create

功能：创建一个新的线程
原型:

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

pthread_t是一个无符号整数
thread是指向pthread_t变量的一个指针，用于存储创建线程的标识符ID(输出型参数)
pthread_attr_t类型是一个线程属性的类，该类定义了线程的所有属性，包括分离状态、栈的大小等
attr是一个指向const pthread_attr_t对象的指针，用于初始化被创建线程的属性。如果设置为NULL,则使用默认属性
start_rountine是一个函数指针，该函数的参数和返回值类型都是void*。表示线程线程执行的函数。
arg是传递给线程函数的参数。可以是NULL,如果需要传递多个参数，可以将其打包成结构体类型对象传进去。同样如果想返回多个值，可以将值打包成一个结构体再返回。
创建成功返回0。失败则返回一个非0值，表示错误代码。常见得到错误码有：
- EAGAIN:系统资源不足，无法创建更多线程。
- EINVAL:无效的线程属性
- EPERM：没有足够的权限设置线程属性

给出代码样例，演示使用pthread_create创建线程：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

using namespace std;

void *rout(void *arg)//线程执行函数
{
    while (true)
    {
        cout << "i am thread num: " << *(int *)arg << endl;
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    int num = 10;
    int res = pthread_create(&tid, NULL, rout, (void *)(&num));
    if (res != 0)
    {//错误码检查
        fprintf(stderr, "pthread_create: %s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }
    while (true)
    {
        cout << "I am main thread" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述
这样我们就成功的使用pthread_create函数创建了一个线程。值得注意的是，执行main函数的线程我们称为主线程。此外，一个线程可以使用pthread_self函数来获取自己的线程ID.

2.pthread_self

功能：获得当前线程的ID
函数原型：

pthread_t pthread_self(void);

于是我们可以将前面的代码样例改一下，观察结果线程ID：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

using namespace std;

void *rout(void *arg)
{
    while (true)
    {
        cout << "thread id : " << pthread_self() << " i am thread num: " << *(int *)arg << endl;
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    int num = 10;
    int res = pthread_create(&tid, NULL, rout, (void *)(&num));
    if (res != 0)
    {
        fprintf(stderr, "pthread_create: %s\n", strerror(res));
        exit(1);
    }
    while (true)
    {
        cout << "tid: " << tid << "  I am main thread" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}