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Linux 多线程编程入门：pthread 线程控制与调度实战详解

发表于 1 小时前 | 查看: 4| 回复: 0

一、线程的基本概念

1.1 什么是线程？

线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源（如内存、文件描述符等），但每个线程拥有独立的执行栈和程序计数器。

线程其实就是我们之前所讲的进程的延申，进程实际上是可以由多个执行流组成的，这些执行流其实就叫做线程。我们之前所讲的进程实际上就是只有单执行流的特殊情况，进程实际上可以看作资源分配的实体，线程就是资源分配的基本单位。

Linux线程调度与内存结构示意图

1.2 线程与进程的区别

特性 进程 线程
定义 程序的一次执行，拥有独立的内存空间 进程中的一个执行流，共享进程的内存空间
资源开销 较大，创建和销毁开销大 较小，创建和销毁开销小
通信方式 进程间通信（IPC）机制复杂 线程间通信简单，直接共享内存
上下文切换 开销大 开销小
独立性 独立，互不影响 依赖进程，线程间相互影响

1.3 线程的优点

  1. 响应性：多线程程序可以在一个线程等待 I/O 时，另一个线程继续执行，从而提高程序的响应性。
  2. 资源共享：线程共享进程的内存空间，因此线程间的数据共享和通信更加方便。
  3. 经济性：创建和销毁线程的开销比进程小，且线程切换的开销也比进程小。
  4. 多核利用：多线程程序可以充分利用多核 CPU 的并行计算能力。

1.4 线程的缺点

  1. 同步问题：多个线程共享同一进程的资源，容易引发竞态条件等问题。
  2. 调试困难：多线程程序的调试比单线程程序复杂，因为线程的执行顺序是不确定的。
  3. 资源竞争：多个线程竞争同一资源时，可能导致性能下降。

这些问题我们会在后面的章节进行解决，尤其是线程的同步与互斥问题是很重要的，我们后面会进行讲解。

二、Linux 中的线程模型

2.1 用户级线程与内核级线程

在 Linux 中，线程的实现可以分为用户级线程和内核级线程。

  • 用户级线程：由用户空间的线程库（如 POSIX 线程库）管理，内核并不知道这些线程的存在。用户级线程的创建、调度、同步等操作都由线程库在用户空间完成。优点是线程切换开销小，缺点是无法利用多核 CPU 的并行能力。
  • 内核级线程：由操作系统内核管理，内核知道每个线程的存在，并负责线程的调度。内核级线程的创建、调度、同步等操作都需要通过系统调用来完成。优点是可以利用多核 CPU 的并行能力，缺点是线程切换开销较大。

2.2 Linux 的线程实现

Linux 通过轻量级进程（Lightweight Process, LWP）来实现线程。每个线程在内核中都有一个对应的轻量级进程，这些轻量级进程共享同一地址空间和其他资源。Linux 的线程库（如 NPTL）提供了对 POSIX 线程标准的支持。我们可以理解为 Linux 的线程实现就是用户层的，因为 Linux 中并没有线程的概念，有的只是轻量级进程的概念，是通过在用户层进行封装来实现的。

三、线程控制

3.1 线程的创建与终止

在 Linux 中，线程的创建和终止是通过 POSIX 线程库（pthread）来实现的。下面我们通过代码示例来讲解线程的创建与终止。

3.1.1 创建线程

在 POSIX 线程库中，使用 pthread_create 函数来创建线程。该函数的原型如下：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);
  • thread：指向线程标识符的指针。
  • attr：用于设置线程属性，通常为 NULL，表示使用默认属性。
  • start_routine：线程函数的起始地址，线程创建后会执行该函数。
  • arg：传递给线程函数的参数。

下面是一个简单的线程创建示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg)
{
    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    printf("Main thread is running...\n");
    pthread_join(thread_id, NULL);  // 等待线程结束
    printf("Main thread is exiting...\n");
    return 0;
}

运行结果：

线程创建示例运行结果

在这个示例中，主线程创建了一个新线程，新线程执行 thread_function 函数。主线程通过 pthread_join 函数等待新线程结束。

3.1.2 终止线程

线程可以通过以下方式终止：

  1. 正常返回：线程函数执行完毕并返回，线程自动终止。
  2. 调用 pthread_exit：线程可以调用 pthread_exit 函数主动终止自己。
  3. 被其他线程取消：其他线程可以调用 pthread_cancel 函数取消指定线程。

下面是一个使用 pthread_exit 终止线程的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg)
{
    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");
    pthread_exit(NULL);  // 主动终止线程
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    printf("Main thread is running...\n");
    pthread_join(thread_id, NULL);  // 等待线程结束
    printf("Main thread is exiting...\n");
    return 0;
}

运行结果：

pthread_exit被动终止线程运行结果

3.2 线程的属性

线程的属性可以通过 pthread_attr_t 结构体来设置。常见的线程属性包括：

  • 线程的分离状态：线程可以是可连接的（joinable）或分离的（detached）。可连接的线程在终止后需要其他线程调用 pthread_join 来回收资源，而分离的线程在终止后会自动释放资源。
  • 线程的栈大小：可以设置线程的栈大小。
  • 线程的调度策略：可以设置线程的调度策略（如 FIFO、轮转等）。

下面是一个设置线程属性的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg)
{
    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);  // 初始化线程属性
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);  // 设置线程为分离状态

    int ret = pthread_create(&thread_id, &attr, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    printf("Main thread is running...\n");
    sleep(3);  // 主线程等待一段时间，确保子线程执行完毕
    printf("Main thread is exiting...\n");
    pthread_attr_destroy(&attr);  // 销毁线程属性
    return 0;
}

运行结果：

线程属性设置运行结果

在这个示例中，我们通过 pthread_attr_setdetachstate 函数将线程设置为分离状态，这样线程在终止后会自动释放资源，主线程不需要调用 pthread_join 来等待线程结束。

3.3 线程的取消

线程可以通过 pthread_cancel 函数来取消。被取消的线程会在下一个取消点（cancellation point）终止。取消点通常是某些系统调用或库函数，如 sleep、read、write 等。

下面是一个线程取消的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg)
{
    printf("Thread is running...\n");
    while (1) {
        printf("Thread is working...\n");
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    sleep(3);  // 主线程等待3秒
    pthread_cancel(thread_id);  // 取消线程
    printf("Thread has been canceled.\n");
    pthread_join(thread_id, NULL);  // 等待线程结束
    printf("Main thread is exiting...\n");
    return 0;
}

运行结果：

线程取消运行结果

在这个示例中，主线程在 3 秒后取消了子线程，子线程在 sleep 函数处被取消。

3.4 线程的清理

线程在终止时可能需要执行一些清理操作，如释放资源、关闭文件等。POSIX 线程库提供了 pthread_cleanup_push 和 pthread_cleanup_pop 函数来注册和注销清理函数。

下面是一个线程清理的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void cleanup_function(void* arg)
{
    printf("Cleanup function is called: %s\n", (char*)arg);
}

void* thread_function(void* arg)
{
    pthread_cleanup_push(cleanup_function, "Resource 1");
    pthread_cleanup_push(cleanup_function, "Resource 2");

    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");

    pthread_cleanup_pop(1);  // 执行清理函数
    pthread_cleanup_pop(1);  // 执行清理函数
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    pthread_join(thread_id, NULL);  // 等待线程结束
    printf("Main thread is exiting...\n");
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用 pthread_cleanup_push 注册了两个清理函数，当线程终止时，这些清理函数会被自动调用。

四、线程分离

4.1 什么是线程分离？

线程分离（Detached Thread）是指线程在终止后自动释放其资源，而不需要其他线程调用 pthread_join 来回收资源。分离线程通常用于不需要返回结果的场景。

4.2 设置线程为分离状态

可以通过 pthread_detach 函数将线程设置为分离状态。下面是一个线程分离的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg)
{
    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    pthread_detach(thread_id);  // 将线程设置为分离状态
    printf("Main thread is running...\n");
    sleep(3);  // 主线程等待一段时间，确保子线程执行完毕
    printf("Main thread is exiting...\n");
    return 0;
}

在这个示例中，我们通过 pthread_detach 函数将线程设置为分离状态。分离状态的线程在终止后会自动释放资源，主线程不需要调用 pthread_join 来等待线程结束。

4.3 线程分离的注意事项

  1. 资源释放：分离线程在终止时会自动释放资源，因此不需要调用 pthread_join 来回收资源。
  2. 无法获取返回值：分离线程的返回值无法被其他线程获取，因为线程终止后资源已经被释放。
  3. 线程状态：一旦线程被设置为分离状态，就不能再通过 pthread_join 来等待线程结束。

五、线程的调度

5.1 线程的调度策略

Linux 中的线程调度策略主要有以下几种：

  • SCHED_FIFO：先进先出调度策略，优先级高的线程会一直运行，直到它主动放弃 CPU。
  • SCHED_RR：轮转调度策略，优先级高的线程会运行一段时间（时间片），然后让出 CPU 给其他相同优先级的线程。
  • SCHED_OTHER：默认的调度策略，基于时间片的动态优先级调度。

5.2 设置线程的调度策略

可以通过 pthread_setschedparam 函数来设置线程的调度策略和优先级。下面是一个设置线程调度策略的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg)
{
    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;
    pthread_attr_t attr;
    struct sched_param param;

    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);  // 设置调度策略为FIFO
    param.sched_priority = 50;  // 设置优先级
    pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m);

    int ret = pthread_create(&thread_id, &attr, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Thread creation failed!\n");
        return 1;
    }
    pthread_join(thread_id, NULL);  // 等待线程结束
    printf("Main thread is exiting...\n");
    pthread_attr_destroy(&attr);  // 销毁线程属性
    return 0;
}

运行结果：

线程调度设置运行结果

在这个示例中，我们通过 pthread_attr_setschedpolicy 函数将线程的调度策略设置为 SCHED_FIFO，并通过 pthread_attr_setschedparam 函数设置了线程的优先级。

六、总结

本文详细介绍了 Linux 中线程的基本概念和线程控制的相关知识，包括线程的创建与终止、线程属性、线程的取消与清理、线程的调度等内容。通过代码示例，读者可以更好地理解这些概念，并在实际编程中应用这些知识。

在理解线程的过程中，建议把“进程”和“线程”的关系反复梳理清楚：进程负责资源分配，线程负责执行流。这个认知对于后续学习线程同步、互斥锁、条件变量等内容至关重要。如果对 多线程编程 在服务端开发中的实际应用感兴趣，不妨继续深入研究 操作系统 的调度机制与内存管理原理，二者结合会让你对并发模型有更完整的把握。




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