多线程编程：线程私有与共享资源解析及线程操作函数详解

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多线程编程：线程私有与共享资源解析及线程操作函数详解

一、线程的共享资源

共享资源是指被同一进程内所有线程共同访问的数据或资源。由于多个线程可能同时操作这些资源，必须通过同步机制（如互斥锁）确保线程安全。

1.1 常见的共享资源

• 堆内存
  通过 malloc 或 new 动态分配的内存对所有线程可见。
  风险示例：

  int *data = malloc(sizeof(int)); 
  *data = 42;
  
  // 线程A和线程B同时修改 data 的值
  

  若不使用锁保护，可能导致数据竞争（Data Race）。

• 全局变量与静态变量
  存储在全局数据区的变量可被所有线程访问。

  static int counter = 0; // 所有线程共享
  

• 文件描述符
  打开的文件、套接字等描述符共享，需注意多线程读写时的原子性。

  FILE *fp = fopen("log.txt", "w"); // 多个线程同时写入需同步
  

• 代码段
  进程的代码（函数、指令）是只读的，线程可安全并发执行。

1.2 共享资源的管理

• 互斥锁（Mutex）
  确保对共享资源的独占访问。

  pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  pthread_mutex_lock(&lock);
  counter++; // 临界区操作
  pthread_mutex_unlock(&lock);
  

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二、线程的私有资源

私有资源是每个线程独立拥有的数据，其他线程无法直接访问。

2.1 常见的私有资源

• 栈内存
  每个线程拥有独立的栈空间，存储局部变量和函数调用链。

  void thread_func() {
      int local_var = 10; // 栈变量，线程私有
  }
  

• 线程局部存储（TLS）
  使用 __thread（GCC）或 thread_local（C11）声明线程私有变量。

  __thread int tls_var; // 每个线程独立副本
  

• 寄存器状态
  程序计数器（PC）、栈指针（SP）等寄存器由线程独立维护。

2.2 TLS的典型应用

• 避免全局变量竞争

  __thread int user_id; // 每个线程独立存储用户ID
  

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三、线程操作函数详解

POSIX线程（pthread）库提供了丰富的线程管理接口。以下为核心函数解析。

3.1 线程创建：pthread_create

函数原型:

int pthread_create(
    pthread_t *thread,         // 线程ID
    const pthread_attr_t *attr,// 线程属性（通常为NULL）
    void *(*start_routine)(void *), // 线程入口函数
    void *arg                  // 传递给入口函数的参数
);

示例代码:

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

void* print_number(void *arg) {
    int num = *(int*)arg;
    printf("Received: %d\n", num);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int value = 42;
    pthread_create(&tid, NULL, print_number, &value);
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

参数传递陷阱:
直接传递栈变量地址可能导致数据竞争。改进方案：

// 动态分配参数内存
int *arg = malloc(sizeof(int));
*arg = 42;
pthread_create(&tid, NULL, print_number, arg);
// 在线程函数中释放内存

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3.2 线程等待：pthread_join

函数原型:

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

作用:

• 阻塞调用线程，直到目标线程结束。
• 回收目标线程资源（如栈内存）。
• 获取线程返回值（通过 retval 参数）。

示例:

void* thread_func(void *arg) {
    int *result = malloc(sizeof(int));
    *result = 100;
    return (void*)result;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    
    void *retval;
    pthread_join(tid, &retval);
    printf("Thread returned: %d\n", *(int*)retval);
    free(retval); // 释放返回值内存
    return 0;
}

错误处理:

• ESRCH: 无效线程ID。
• EINVAL: 线程不可连接（如已分离）。
• EDEADLK: 试图等待自身导致死锁。

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3.3 线程终止：pthread_exit 与 pthread_self

pthread_exit:

void pthread_exit(void *retval); // 终止当前线程并返回 retval

关键区别:

• return 语句仅退出线程函数，而 pthread_exit 直接终止线程。
• 主线程调用 pthread_exit 后，程序会等待其他线程结束。

pthread_self:

pthread_t pthread_self(); // 获取当前线程ID

应用场景:

• 日志记录时附加线程ID。
• 调试多线程问题。

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四、线程参数传递的最佳实践

4.1 避免共享栈变量

错误示例:

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    pthread_create(&tid[i], NULL, func, &i); // 传递局部变量地址
}
// 子线程可能读取到被主线程修改后的 i

解决方案:

• 动态分配内存

  int *arg = malloc(sizeof(int));
  *arg = i;
  pthread_create(&tid[i], NULL, func, arg);
  // 在线程函数中 free(arg)
  

• 使用线程同步
  通过条件变量或屏障（Barrier）确保参数传递安全。

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五、线程的生命周期管理

5.1 分离线程（Detached Thread）

• 默认情况下线程是可连接的（Joinable），需手动调用 pthread_join。
• 分离线程（Detached）结束后自动释放资源。

设置分离属性:

pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&tid, &attr, func, NULL);
pthread_attr_destroy(&attr);

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六、总结与建议

1. 共享资源必须同步
   使用互斥锁、信号量或原子操作保护临界区。
2. 优先使用线程局部存储（TLS）
   替代全局变量以减少竞争。
3. 谨慎传递参数
   动态分配内存或复制数据避免悬垂指针。
4. 及时回收资源
   调用 pthread_join 或设置分离属性防止资源泄漏。

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附录：完整代码示例

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

#define NUM_THREADS 5

// 线程函数：动态分配参数内存
void* thread_func(void *arg) {
    int num = *(int*)arg;
    free(arg); // 释放参数内存
    printf("Thread %d started\n", num);
    // 模拟任务执行
    int *result = malloc(sizeof(int));
    *result = num * 10;
    pthread_exit(result); // 返回结果
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int *results[NUM_THREADS];

    // 创建线程并传递参数
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        int *arg = malloc(sizeof(int));
        *arg = i;
        if (pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, arg) != 0) {
            perror("pthread_create failed");
            exit(1);
        }
    }

    // 等待线程结束并收集结果
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        void *retval;
        if (pthread_join(threads[i], &retval) != 0) {
            perror("pthread_join failed");
            exit(1);
        }
        results[i] = (int*)retval;
        printf("Thread %d returned %d\n", i, *results[i]);
        free(results[i]); // 释放结果内存
    }

    return 0;
}

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参考资料

• POSIX Threads Programming: https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads/
• 《UNIX环境高级编程》（Advanced Programming in the UNIX Environment）