LINUX多线程编程

### LINUX多线程编程 #### 一、线程基础知识 ##### 1. 什么是线程？ 线程是在一个程序中的多个执行路径。更精确地说，线程是“一个进程内部的一个控制序列”。典型的Unix进程通常被视为只有一个控制线程：一个进程在同一时刻只执行一个任务。然而，随着多线程技术的发展，现在可以在程序设计时让一个进程同时执行多个任务，每个任务由一个独立的线程来负责。 ##### 2. 线程的优点 - **简化处理异步事件**：通过为每种类型的事件处理分配单独的线程，可以大大简化处理异步事件的代码。 - **资源共享**：多个线程可以自动共享同一个存储地址空间和文件描述符，这有助于减少资源消耗。 - **提高程序效率**：将复杂的问题分解为多个子任务，分别由不同的线程处理，可以显著提高整个程序的吞吐量。 - **改善用户体验**：交互式的程序可以利用多线程技术，将处理用户输入输出的部分与其他计算密集型任务分离，从而提升响应速度。 ##### 3. 线程的缺点 - **复杂性增加**：编写多线程程序需要更全面且深入的设计考虑，因为需要处理时间调度和变量共享等问题。 - **潜在错误**：由于多线程程序中存在时间分配偏差或变量共享不当的情况，可能会引发难以预料的问题。 - **调试难度大**：调试一个多线程程序比调试一个单线程程序更加困难。 ##### 4. 线程的结构 线程包含了表示进程内执行环境所需的各种信息，例如： - 进程中标识线程的线程ID。 - 一组寄存器值、栈、调度优先级和策略。 - 信号屏蔽子、errno变量以及线程私有数据。 - 所有的线程都共享进程的所有信息，包括可执行的程序文本、全局内存和堆内存、栈以及文件描述符。 ##### 5. 线程标识 每个线程都有一个唯一的线程ID（Thread ID），线程ID只在其所属的进程范围内有效。线程ID通常使用`pthread_t`数据类型表示。为了比较两个线程ID是否相同，需要使用特定的函数，如`pthread_equal`，而不是简单的整数比较。此外，还可以使用`pthread_self`函数获取当前线程的ID。 - **pthread_equal**：该函数用于比较两个线程ID是否相等。 - **pthread_self**：该函数用于获取当前线程的ID。 ##### 6. 线程的创建 线程的创建通常使用`pthread_create`函数完成。这个函数的原型如下： ```c int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg); ``` 其中： - `tidp`：指向一个存储新创建线程ID的指针。 - `attr`：指定新创建线程的属性。如果设置为`NULL`，则采用默认属性。 - `start_rtn`：指向线程启动时执行的函数的指针。 - `arg`：传递给线程启动函数的参数。 当`pthread_create`成功执行时，`tidp`所指向的内存单元会被设置为新创建线程的线程ID。 #### 二、线程高级知识 ##### 1. 线程属性 线程属性是指线程创建时可以设定的一系列特性，如调度策略、线程分离状态等。这些属性可以通过`pthread_attr_t`结构体来设置和获取。 - **线程分离状态**：决定了线程结束时资源的处理方式。可以通过`pthread_attr_setdetachstate`和`pthread_attr_getdetachstate`函数来设置和获取线程的分离状态。 - **线程的继承性**：决定了线程的属性是否被新创建的线程继承。可以通过`pthread_attr_setinheritsched`和`pthread_attr_getinheritsched`函数来设置和获取线程的继承性。 - **线程的调度策略**：定义了线程如何被调度器安排执行。可以通过`pthread_attr_setschedpolicy`和`pthread_attr_getschedpolicy`函数来设置和获取线程的调度策略。 - **线程的调度参数**：包括线程的优先级等参数，可以通过`pthread_attr_setschedparam`和`pthread_attr_getschedparam`函数来设置和获取线程的调度参数。 ##### 2. Posix有名信号灯 信号灯是一种同步机制，用于在线程之间协调访问共享资源。Posix有名信号灯提供了一种跨进程的同步机制。 - **函数**：Posix有名信号灯提供了多种函数，如`sem_init`、`sem_open`、`sem_close`等，用于信号灯的初始化、打开和关闭。 - **注意事项**：使用Posix有名信号灯时需要注意权限设置、异常处理等问题。 - **多线程应用**：Posix有名信号灯广泛应用于多线程环境中，用于解决竞态条件等问题。 - **多进程应用**：除了多线程环境外，Posix有名信号灯还常用于多进程之间的同步。 #### 三、互斥量 互斥量是一种常用的同步原语，用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。 - **初始化与回收**：互斥量的初始化通常使用`pthread_mutex_init`函数完成，而回收则通过`pthread_mutex_destroy`函数实现。 - **加锁与解锁**：互斥量的锁定和解锁操作分别由`pthread_mutex_lock`和`pthread_mutex_unlock`函数完成。 - **互斥量属性**：互斥量属性可以通过`pthread_mutexattr_t`结构体来设置，例如递归属性等。 #### 四、条件变量 条件变量是一种同步机制，用于在线程之间同步等待特定条件的发生。 - **条件变量函数**：条件变量的操作主要包括`pthread_cond_wait`、`pthread_cond_timedwait`、`pthread_cond_signal`等函数。 - **条件变量属性**：条件变量的属性可以通过`pthread_condattr_t`结构体来设置，如时钟选择等。 #### 五、共享内存 共享内存是一种进程间通信方式，允许多个进程共享一块内存区域。 - **mmap函数**：`mmap`函数是Linux下映射共享内存到进程地址空间的主要方法。 - **Posix共享内存函数**：Posix标准提供了一系列函数用于创建、删除和管理共享内存段。 - **ftruncate和fstat函数**：这两个函数用于调整共享内存的大小以及查询其属性。 #### 总结 本篇文章详细介绍了Linux环境下多线程编程的基础知识和高级技巧，包括线程的基本概念、线程的创建与管理、线程同步机制（如信号灯、互斥量、条件变量）、共享内存等。通过这些内容的学习，读者可以更好地理解和掌握Linux下的多线程编程技术，并能够在实际开发中灵活运用这些技术来提高程序性能和稳定性。