### Linux多线程编程知识点详解
#### 一、线程的概念
线程是现代操作系统中的基本执行单元之一，是进程内的一个执行流程。一个进程至少包含一个线程，即主线程。线程作为CPU调度的基本单位，具有轻量级的特点，它们共享同一个进程的资源，如内存空间、文件句柄等，但每个线程有自己的栈空间和寄存器状态。
#### 二、多线程的优点
- **资源利用率高**：多线程可以使程序同时执行多个任务，提高CPU和其他资源的利用率。
- **响应性好**：在GUI应用中，多线程可以确保用户界面即使在后台任务繁忙时仍然保持响应。
- **结构清晰**：将复杂问题分解成多个独立或协作的小任务，每个任务由一个或多个线程处理，使程序结构更加清晰。
#### 三、何时使用多线程
多线程适用于以下几种情况：
- **并发执行的任务**：当程序中有多个可以并行执行的任务时，使用多线程可以让这些任务同时运行，从而加速程序的执行。
- **IO密集型任务**：例如读写文件、网络通信等操作，这些操作往往耗时较长，可以通过多线程实现边读写边处理，提高效率。
- **CPU密集型任务**：对于需要大量计算的任务，如果有多核处理器，使用多线程可以充分利用多个核心的计算能力。
#### 四、线程创建与管理
在Linux下，线程通过`pthread_create`函数来创建。该函数定义如下：
```c
int pthread_create(pthread_t *__restrict__ newthread,
__const pthread_attr_t *__restrict__ attr,
void *(*__start_routine)(void *),
void *__restrict__ arg);
```
- `newthread`：指向新线程的标识符。
- `attr`：指定线程属性。如果不需要特别设置，则可以传入`NULL`使用默认属性。
- `__start_routine`：新线程将要执行的函数。
- `arg`：传递给新线程函数的参数。
函数成功返回0，失败则返回错误代码，可通过`strerror(errno)`获取错误信息。
#### 五、线程的终止
线程可以通过以下三种方式结束：
1. **线程执行完毕**：线程执行完其函数后自动退出。
2. **线程取消**：可以通过调用`pthread_cancel()`函数取消一个线程。
3. **显式退出**：通过调用`pthread_exit()`函数退出线程。
#### 六、线程间的同步
在多线程编程中，为了避免多个线程访问同一资源时产生冲突，通常需要进行同步操作。常见的同步机制包括互斥锁（mutex）、条件变量（condition variables）、读写锁（read-write locks）等。
#### 七、示例分析
考虑一个简单的例子，创建两个线程，一个线程对全局变量`num`执行加1操作500次，另一个线程执行减1操作500次。示例代码如下：
```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int num = 0;
void* add(void* arg) {
int i = 0, tmp;
for (; i < 500; i++) {
tmp = num + 1;
num = tmp;
printf("add+1,result is:%d\n", num);
}
return ((void*)0);
}
void* sub(void* arg) {
int i = 0, tmp;
for (; i < 500; i++) {
tmp = num - 1;
num = tmp;
printf("sub-1,result is:%d\n", num);
}
return ((void*)0);
}
int main(int argc, char** argv) {
pthread_t tid1, tid2;
int err;
void* tret;
err = pthread_create(&tid1, NULL, add, NULL);
if (err != 0) {
printf("pthread_create error:%s\n", strerror(err));
exit(-1);
}
err = pthread_create(&tid2, NULL, sub, NULL);
if (err != 0) {
printf("pthread_create error:%s\n", strerror(err));
exit(-1);
}
err = pthread_join(tid1, &tret);
if (err != 0) {
printf("cannot join with thread1:%s\n", strerror(err));
exit(-1);
}
printf("thread1 exit code%d\n", (int)tret);
err = pthread_join(tid2, &tret);
if (err != 0) {
printf("cannot join with thread2:%s\n", strerror(err));
exit(-1);
}
printf("thread2 exit code%d\n", (int)tret);
return 0;
}
```
#### 八、编译问题及解决方案
- **编译错误**: 使用`g++`编译时可能会遇到`undefined reference to 'pthread_create'`错误。
- **解决方案**: 在编译命令中加入`-lpthread`选项，指示链接器链接`pthread`库。
#### 九、示例中的问题解析
在这个示例中，虽然最终结果似乎是正确的，即`num`的值为0，但实际上存在竞争条件的问题。这是因为两个线程都在修改同一个变量`num`，没有采取适当的同步措施。因此，在实际运行过程中，`add`和`sub`线程可能交错执行，导致`num`的值并不总是加500再减500的结果。为了避免这种情况，可以使用互斥锁等同步机制来保护对共享变量的操作。
