Linux下多线程的操作

Posted 2022-08-07 林夕07

线程定义

**定义：**线程是轻量级的进程（LWP:light weight pocess），在Linux环境下线程的本质仍然是进程。在计算机上运行的程序是一组指令及指令参数的组合，指令按照既定的逻辑控制计算机运行。操作系统会以进程为单位，分配系统资源，可以这样理解，进程是资源分配的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。

线程和进程之间的区别：
• 进程有自己独立的地址空间，多个线程公用同一个地址空间

1. 线程更加节省系统空间，效率不仅可以保持的，而且能够更加高
2. 在一个地址空间中多个线程独享：每个线程都有属于自己的栈区，寄存器（内核中管理的）
3. 在一个地址空间中多个线程共享：代码区，堆区，全局数据区，打开的文件（文件描述符表）都是线程共享的

• 线程是程序是最小执行单位，进程是操作系统系统中最小的资源分配单位

1. 每个进程对应一个虚拟地址空间，一个进程只能抢一个CPU时间片
2. 一个地址空间中可以划分出多个线程，在有效的资源基础上，能够抢更多的CPU时间片

每个线程去抢CUP片都是随机的，是概率问题。下图是理想状态

1. CPU的调度和切换:线程的上下文切换比进程要快的多
   上下文切换：进程/线程分时复用CPU时间片，在切换之前会将上一个任务得到状态进程保存，下次切换会这个任务时候，加载这个状态继续运行，任务从保存到再次加载这个过程就是一次上下文切换。状态保存在寄存器中。

2. 线程更加廉价，启动速度更快，退出也快，对系统资源的冲击小。

在处理多任务程序的时候使用多线程比使用多进程要更加有优势，但是线程并不是越多越好，如何控制线程的个数呢？

1. 文件IO操作：文件IO对CPU是使用率不高，因此可以分时复用CPU时间片，线程的个数=2*CPU核心数（效率最高）
2. 处理复杂算法（主要是CPU进行运算，压力大），线程的个数=CPU的核心数（效率最高）
   

创建线程

线程函数
每个线程都有一个唯一的线程ID，ID类型为：pthread_t，这个ID类型为一个无符号长整型数，如果想要得到当前线程的ID，可以调用如下函数：
头文件：#include<pthread.h>
函数原型：pthread_t pthread_self(void);//返回当前线程ID
下面是在linux下测试的数据图。

pthread_create
在一个进程中调用线程创建函数，就可以达到一个线程，和进程不同，需要给每个创建出的线程指定一个处理的函数，否则这个线程无法工作。
头文件：#include<pthread.h>
函数原型：int pthread_create(pthead_t *thread, const pthead_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void * arg);
线程库得到名字叫lpthread，全名：libpthread.so libpthread.a
参数：

1. thead:传出参数，是无符号长整型，线程创建成功，会将线程ID写入到这个指针指向的内存中。
2. attr：线程的属性，一般情况下使用默认属性即可，写NULL
3. start_routine:函数指针，创建出的子线程的处理动作，也就是该函数在子线程中执行。
4. arg：作为实参传递到start_routine指针指向的函数内部。（如果参数多可以定义一个结构体然后传入一个结构体就好了）
   **返回值：**线程创建成功返回0，创建失败返回对应的错误号。

由于pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用库libpthread.a,所以在使用pthread_create创建线程时，在编译中要加-lpthread参数 test_5_6_2

下面是源码：

为什么没有输出子进程数据？
原因： 因为程序是从main函数开始执行，从主线程进来之后，然后创建出来子线程，有可能子线程还没有抢到时间片，主线程就执行完毕了，就会把地址空间释放了，子线程的家就没有了。因此子线程所有的资源也就被释放了。
解决方案： 我们可以让主线程等一会，sleep（2），表示主线程睡眠3秒，睡眠就会放弃CPU资源，不消耗系统资源

当我们加入sleep（3）时执行如下：

线程退出

在编写多线程程序的时候，如果想要让线程退出，但是不会导致虚拟地址空间的释放（针对于主线程），我们就可以调用线程库退出函数，只要调用该函数当前线程就马上退出了，并且不会影响到其他线程的正常运算，不管是在子线程或者主线程都可以使用。
头文件: #include<pthread.h>
函数原型： void pthread_exit(void *retval);
参数: 线程退出的时候携带的数据,当前子线程的主线程会得到该数据,（需要配合线程回收使用）如果不需要使用,就指定为NULL
测试结果：

源代码：

线程回收

线程函数
线程和进程一样，子线程退出的时候其内核资源主要由主线程回收，线程库中提供的线程回收函数叫pthread_join(),这个函数是一个阻塞函数，如果还有子线程在运行，调用该函数就会阻塞，子线程退出函数解除阻塞进行资源回收，函数被调用一次，只能回收一个线程，如果有多个子线程则需要循环回收。释放的实际是内核区的资源。

通过线程回收函数还可以获得到子线程退出时传递出来的数据
头文件： #include<pthread.h>
函数原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
说明 ：子线程在运行这个函数就会阻塞，子线程退出，函数解除阻塞，回收对应子线程的资源，类似于回收进程使用的函数wait（）
参数：

1. thread:要被回收的子线程的线程ID
2. retavl:二级指针，指向一级指针的地址，是一个传出参数，这个地址中存储了pthread_exit()传递出来的数据，如果不需要这个参数，可以指定为NULL

返回值： 线程回收成功返回0，回收失败返回错误号。

返回时候切记不能返回堆区变量，所以我们这时候把变量定义为全局变量或者静态变量延长声明周期。还可以把变量创建到主线程的栈空间。
使用子线程栈且定义为static变量

使用主线程栈
下图为把变量创建到主线程的栈空间。

create函数创建时候将t的地址传入callback函数,然后callback函数将传入的类型进行强制转换然后赋值，然后执行线程退出函数，主函数使用join回收函数接受。

线程分离函数

在某些情况下，程序中的主线程有属于自己的业务处理流程，如果让主线程负责子线程的资源回收，调用pthread_join()只要子线程不退出主线程就会一直阻塞，主线程的任务也就不能被执行了。

在线程库函数中为我们提供了线程分离函数pthead_detach（），调用这个函数之后指定的子线程可以与主线程分离，当子线程退出的时候，其占用的内核资源就被系统的其他进程接管并回收了。线程分离之后的主线程中使用pthread_join（）就回收不到子线程的资源。
测试代码：

测试结果：

其他线程函数

线程取消
线程取消就是在某些特定的情况下在一个线程杀死另一个线程。使用这个函数杀死一个线程需要俩步：

1. 在线程A中调用线程取消函数pthead_cancel（），指定杀死线程B，这时线程B是死不了的。
2. 在线程B中进行一次系统调用(从用户区切换到内核区)，否则线程B可以一直运行。(类似于我吃了毒药，但是只要我不动就没事)

头文件：#include<pthead.h>
函数原型：int pthread_cencel(pthead_t thread);
参数：要被杀死的线程
返回值：函数调用成功返回0，调用失败返回错误码

系统调用：

1. 直接调用Linux系统库函数
2. 调用标准的C库函数，为了实现某些功能，在Linux平台下标准C库函数会调用相关的系统函数。

下图中红线框起来的区域不会被执行，因为线程已经被杀死了，调用printf函数就相当于执行系统调用，然后就死掉了。
源代码：

测试代码：

下图是把杀死进程注释掉后的结果 我们可以发现下面的图就把上面代码中红色区域的输出来了。

线程ID比较

在Linux中线程ID本质就是一个无符号长整型，因此可以直接使用比较操作符比较俩个线程的ID，但是线程库是可以跨平台使用的。在某些平台上pthread_t可能不是一个单纯的整型，这种情况下比较俩个线程的ID必须使用函数，

函数原型如下：
头文件：#include<pthread.h>
函数原型：int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
参数：t1和t2就是要比较的线程ID
返回值：如果俩个线程ID相等返回非0值，如果不相等返回0；