【Linux C】线程简单介绍

线程的概念

基本概念

进程：是指⼀个内存中运⾏的应⽤程序，每个进程都有⼀个独⽴的内存空间，⼀个应⽤程序可以同时运⾏多个进程；进程也是程序的⼀次执⾏过程，是系统运⾏程序的基本单位；系统运⾏⼀个程序即是⼀个进程从创建、运⾏到消亡的过程。

线程：线程是进程中的⼀个执⾏单元，负责当前进程中程序的执⾏，⼀个进程中⾄少有⼀个线程。⼀个进程中是可以有多个线程的，这个应⽤程序也可以称之为多线程程序。

简而言之：⼀个程序运⾏后⾄少有⼀个进程，⼀个进程中可以包含多个线程；“进程——资源分配的最小单位，线程——程序执行的最小单位”

什么时候使用线程

1、需要频繁创建销毁的优先使用线程；因为对进程来说创建和销毁一个进程代价是很大的

2、线程的切换速度快，所以在需要大量计算，切换频繁时用线程，还有耗时的操作使用线程可提高应用程序的响应

3、因为对CPU系统的效率使用上线程更占优，所以可能要发展到多机分布的用进程，多核分布用线程

4、并行操作时使用线程，如C/S架构的服务器端并发线程响应用户的请求

5、需要更稳定安全时，适合选择进程；需要速度时，选择线程更好

查看线程的shell命令

ps axm
在这里插入图片描述

ps ax -L
在这里插入图片描述

线程的相关函数

在这里插入图片描述

基本函数

1. 线程创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

当pthread_create成功返回时，由tidp指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。attr参数用于定制各种不同的线程属性，暂可以把它设置为NULL，以创建默认属性的线程。

新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg。如果需要向start_rtn函数传递的参数不止一个，那么需要把这些参数放到一个结构中，然后把这个结构的地址作为arg参数传入。

2. 线程退出

单个线程可以通过以下三种方式退出，在不终止整个进程的情况下停止它的控制流：

1）线程只是从启动例程中返回，返回值是线程的退出码。

2）线程可以被同一进程中的其他线程取消**（pthread_cancel）**。

3）线程调用pthread_exit：

#include <pthread.h>
int pthread_exit(void *rval_ptr);

rval_ptr是一个无类型指针，与传给启动例程的单个参数类似。进程中的其他线程可以通过调用pthread_join函数访问到这个指针。

3. 线程等待

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

调用这个函数的线程将一直阻塞，直到指定的线程调用pthread_exit、从启动例程中返回或者被取消。如果例程只是从它的启动例程返回，rval_ptr将包含返回码。如果线程被取消，由rval_ptr指定的内存单元就置为PTHREAD_CANCELED。

可以通过调用pthread_join自动把线程置于分离状态，这样资源就可以恢复。如果线程已经处于分离状态，pthread_join调用就会失败，返回EINVAL。

如果对线程的返回值不感兴趣，可以把rval_ptr置为NULL。在这种情况下，调用pthread_join函数将等待指定的线程终止，但并不获得线程的终止状态。

例1：利用两个线程分别打印1、2、3

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

static void* func(void *p)
{
	int i = 0;
	puts("This is thread1");
	while(i < 3)
	{
		printf("thread1:%d\n",i++);
		sleep(1);
	}
	pthread_exit(NULL);	
}


int main()
{
	pthread_t tid;	
	int err;
	int cnt = 0;
	printf("Begin\n");
	err = pthread_create(&tid,NULL,func,NULL);
	if (err)
	{
		fprintf(stderr,"Create pthread fail:%s\n",strerror(err));
		exit(1);
	}
	while(cnt<3)
	{
		sleep(1);
		printf("main:%d\n",cnt++);
	}
	pthread_join(tid,NULL);
	printf("End\n");	
	exit(0);
}

执行结果：可以看到两个线程随机交叉执行

Begin
This is thread1
thread1:0
main:0
thread1:1
main:1
thread1:2
main:2
End

互斥锁相关函数

互斥：由于线程间存在共享数据，当多线程并发地对共享数据进行操作（主要是写操作）时，如不加以管理，可能导致数据不一致问题。互斥就是一个共享数据在同一时刻只能被一个线程使用，这样就保证了共享数据的一致性。

互斥量（mutex）：从本质上来说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量上的锁。对互斥量进行加锁后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程将会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥锁时有多个线程阻塞，所有在该互斥锁上的阻塞线程都会变成可运行状态，第一个变为可运行状态的线程可以对互斥量加锁，其他线程将会看到互斥锁依然被锁住，只能回去等待它重新变为可用。在这种方式下，每次只有一个线程可以向前运行。

互斥变量用pthread_mutex_t数据类型表示。在使用互斥变量前必须对它进行初始化，可以把它置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只对静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_mutex_init函数进行初始化。如果动态地分配互斥量（例如通过调用malloc函数），那么在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。

1. 创建及销毁互斥锁

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t mutex);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

要用默认的属性初始化互斥量，只需把attr设置为NULL。

2. 加锁及解锁

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t mutex);	
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t mutex);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

如果线程在对互斥量用pthread_mutex_lock加锁前，已经被其他线程加锁了，则会阻塞；

如果不希望被阻塞，它可以使用pthread_mutex_trylock尝试对互斥量进行加锁。如果调用pthread_mutex_trylock时互斥量处于未锁住状态，那么pthread_mutex_trylock将锁住互斥量，不会出现阻塞并返回0，否则pthread_mutex_trylock就会失败，不能锁住互斥量，而返回EBUSY。

例2：利用互斥量，使得一个线程操作全局变量g_data时，其他线程无法操作该变量

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

int g_data = 0;
//pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;		//初始化互斥量


static void* func(void *p)
{
	int cnt = 0;	//初始化计数变量
	puts("This is thread1");
	//pthread_mutex_lock(&mutex);		//给互斥量加锁，避免其他线程操作g_data变量
	while(cnt < 3)
	{
		cnt++;
		printf("thread1:%d\n",g_data++);
		sleep(1);
	}
	//pthread_mutex_unlock(&mutex);	//解锁
	pthread_exit(NULL);	
}


int main()
{
	pthread_t tid;	
	int err;
	int cnt = 0;
	printf("Begin\n");
	err = pthread_create(&tid,NULL,func,NULL);
	if (err)
	{
		fprintf(stderr,"Create pthread fail:%s\n",strerror(err));
		exit(1);
	}
	
	//pthread_mutex_lock(&mutex);		//给互斥量加锁，避免其他线程操作g_data变量
	while(cnt<3)
	{
		sleep(1);
		cnt++;
		printf("main:%d\n",g_data++);
	}
	//pthread_mutex_unlock(&mutex);	//解锁

	pthread_join(tid,NULL);		//等待线程退出
	//pthread_mutex_destroy(&mutex);	//销毁互斥锁
	printf("End\n");	
	exit(0);
}

执行结果：可以看到两个线程交叉对g_data变量进行加1操作

[Rio@VM-8-17-centos pratise]$ ./pratise2
Begin
This is thread1
thread1:0
main:1
thread1:2
main:3
thread1:4
main:5
End

将上述代码的被注释掉的代码恢复，即为加上互斥量的代码，执行结构如下

[Rio@VM-8-17-centos pratise]$ ./pratise2
Begin
This is thread1
main:0
main:1
main:2
thread1:3
thread1:4
thread1:5
End

可以看到，在main线程操作变量g_data时，thread1线程处于阻塞状态，无法对g_data进行操作；

条件变量相关函数

条件变量是用来等待线程而不是上锁的，条件变量通常和互斥锁一起使用。条件变量之所以要和互斥锁一起使用，主要是因为互斥锁的一个明显的特点就是它只有两种状态：锁定和非锁定，而条件变量可以通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号来弥补互斥锁的不足，所以互斥锁和条件变量通常一起使用

条件变量使用之前必须首先初始化，pthread_cond_t数据类型代表的条件变量可以用两种方式进行初始化，可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量，但是如果条件变量是动态分配的，可以使用pthread_cond_destroy函数对条件变量进行去除初始化（deinitialize）。

1. 创建及销毁条件变量

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t cond);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

除非需要创建一个非默认属性的条件变量，否则pthread_cont_init函数的attr参数可以设置为NULL。

2. 等待

用pthread_cond_wait不是一种忙等，减少对CPU的消耗

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, cond struct timespec *restrict timeout);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

函数作用：

1、阻塞等待条件变量cond（参1）满足
2、释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
以上两步为一个原子操作。

3、当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait函数的工作方式与pthread_cond_wait函数类似，只是多了一个timeout。timeout指定了等待的时间，它是通过timespec结构指定。

3. 触发

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t cond);
// 返回：若成功返回0，否则返回错误编号

这两个函数可以用于通知线程条件已经满足。pthread_cond_signal函数将唤醒等待该条件的某个线程，而pthread_cond_broadcast函数将唤醒等待该条件的所有进程。

注意一定要在改变条件状态以后再给线程发信号。

例3：在例2的基础上，希望先由thread1线程来对g_data进行+1操作，则可以利用条件变量来实现

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

int g_data = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;		//初始化互斥量
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

static void* func(void *p)
{
	int cnt = 0;	//初始化计数变量
	puts("This is thread1");
	pthread_mutex_lock(&mutex);		//给互斥量加锁，避免其他线程操作g_data变量
	while(cnt < 3)
	{
		cnt++;
		printf("thread1:%d\n",g_data++);
		sleep(1);
	}
	pthread_cond_signal(&cond);		//唤醒等待的线程
	pthread_mutex_unlock(&mutex);	//解锁
	pthread_exit(NULL);	
}


int main()
{
	pthread_t tid;	
	int err;
	int cnt = 0;
	printf("Begin\n");
	err = pthread_create(&tid,NULL,func,NULL);
	if (err)
	{
		fprintf(stderr,"Create pthread fail:%s\n",strerror(err));
		exit(1);
	}	
	pthread_mutex_lock(&mutex);		//给互斥量加锁，避免其他线程操作g_data变量
	pthread_cond_wait(&cond,&mutex);  //阻塞，等待被唤醒
	while(cnt<3)
	{
		cnt++;
		printf("main:%d\n",g_data++);
		sleep(1);
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex);	//解锁

	pthread_join(tid,NULL);		//等待线程退出
	pthread_mutex_destroy(&mutex);	//销毁互斥锁
	pthread_cond_destroy(&cond);
	printf("End\n");	
	exit(0);
}

执行结果：

[Rio@VM-8-17-centos pratise]$ ./pratise2
Begin
This is thread1
thread1:0
thread1:1
thread1:2
main:3
main:4
main:5
End