Linux多线程

最新推荐文章于 2024-06-14 09:39:49 发布

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分类专栏： Linux复习与总结文章标签： linux

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Linux线程概念

线程是程序内部的执行路线，Linux中也称为轻量级进程。
线程在进程地址空间内运行，共享大部分资源，如虚拟地址空间和页表。

二级页表:

二级页表是虚拟内存管理的一种技术，用于将虚拟地址映射到物理内存地址。
在32位平台下，使用页目录和页表的二级页表来实现地址映射。
二级页表允许将大型地址空间划分成较小的单元，减少内存开销。

线程的优点:

线程可以在同一进程内并发执行，提高多核处理器的利用率。
线程之间共享内存，减少通信和同步的开销。
轻量级，创建和销毁线程比进程更快。

线程的缺点:

多线程编程复杂，容易引发竞态条件和死锁。
线程之间共享内存可能导致数据一致性问题。
线程调度和同步开销较大。

线程异常:

线程可能面临异常，如分段错误（段错误），当尝试修改只读内存时会导致段错误。
操作系统会终止触发异常的线程，通常通过信号来处理异常。

线程用途:

线程用于多任务并发执行，如服务器、多媒体处理、并行计算等。
线程可用于提高应用程序性能和响应性。

Linux进程VS线程:

进程是程序的独立执行实体，拥有独立的地址空间和资源。
线程是进程内的执行单元，共享进程的地址空间和资源。

Linux线程控制:

原生线程库pthread提供线程管理接口。
线程创建、等待、终止、分离等基本操作。
线程ID是用于标识线程的唯一标识符。

线程的优点2：

创建一个新线程的代价比创建一个新进程小。
线程切换需要的操作系统工作较少，相比进程切换更轻量。
线程占用的资源较少，相比进程更节省。
可以充分利用多处理器的可并行数量，提高性能。
在等待慢速IO操作完成时，程序可以执行其他计算任务，提高效率。
对于计算密集型应用，可以将计算任务分解到多个线程中以在多处理器系统上运行。
对于IO密集型应用，可以重叠IO操作，线程可以同时等待不同的IO操作，提高性能。

线程的缺点2：

性能损失：计算密集型线程可能无法充分共享处理器，导致性能损失。
健壮性降低：多线程编程需要更全面的考虑，可能因时间分配或共享变量而导致问题。
缺乏访问控制：线程内部调用某些OS函数可能对整个进程产生影响。
编程难度增加：编写和调试多线程程序比单线程程序更复杂。

线程异常：

单个线程出现异常（如除零或野指针），会导致线程崩溃，进而触发信号机制，终止进程。

线程用途：

多线程可提高CPU密集型程序的执行效率。
多线程可提高IO密集型程序的用户体验，例如同时进行下载和开发。

Linux进程VS线程：

进程是承担分配系统资源的基本实体，线程是调度的基本单位。
线程共享进程数据，但也有自己的一部分数据，如线程ID、寄存器、栈、errno等。
进程内的多个线程共享代码段和数据段。
主线程可以创建其他子线程。
Linux中，应用层的线程与内核的LWP（轻量级进程）一一对应，操作系统使用LWP进行调度。

线程控制

POSIX线程库（pthread）是Linux下的原生线程库。
使用pthread_create函数创建新线程，传入线程ID、属性、线程例程函数和参数。
主线程创建的新线程可以并发运行。

获取线程ID：

通过创建线程时的输出型参数获得线程ID。
通过调用pthread_self函数获得当前线程的ID，类似于获取进程ID的getpid函数。

线程等待：

线程需要被等待以释放其资源，否则可能导致内存泄漏。
使用pthread_join函数等待线程的结束。
pthread_join函数的参数包括被等待线程的ID和线程退出时的退出码信息。
线程等待成功返回0，失败返回错误码。

线程终止：

线程可以通过以下方式终止：
- 从线程函数中使用return语句退出，此时退出码可用于判断线程的正常运行结果。
- 调用pthread_exit函数主动终止线程，同时指定退出码。
- 一个线程可以调用pthread_cancel函数终止同一进程中的另一个线程。
线程使用return退出时，主线程退出会导致整个进程退出，资源被释放。
使用pthread_exit函数可以主动终止线程并设置退出码。

需要注意的细节：

pthread_join函数默认以阻塞方式等待线程结束。
线程异常终止会导致整个进程崩溃，因此线程的健壮性较弱。
pthread_self函数获取的线程ID与内核的轻量级进程ID（LWP）不一定相等，它们有一对一的关系。
pthread_join只能获取到线程正常退出时的退出码，无法获取线程异常退出的信息。
调用pthread_exit或return退出线程时，指定的退出码所指向的内存单元必须是全局的或使用malloc分配的，而不是线程函数栈上的。

pthread_cancel 函数是用于取消线程的，以下是关于 pthread_cancel 函数的功能、用法、返回值、参数意义和需要注意的细节的总结：

功能： pthread_cancel 函数用于取消指定线程的执行。

用法：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

thread：被取消线程的ID。

返回值：

线程取消成功返回0，失败返回错误码。

参数意义：

thread：要取消的线程的ID。

需要注意的细节：

线程是可以取消的，包括可以自己取消自己。但通常情况下，线程控制是由主线程或其他线程来取消目标线程。
当线程被成功取消后，它的退出码通常会变成-1，而不是原来设定的退出码。
在示例代码中，通过 pthread_cancel(pthread_self()) 取消了线程的自身执行，这通常不是推荐的做法。
新线程也可以取消主线程，但这不是一种推荐的做法。通常情况下，我们使用主线程来控制其他新线程。
可以使用 pthread_detach 函数将线程分离，这样在线程退出后，系统会自动回收线程资源，无需显式调用 pthread_join。
pthread_t 类型的线程ID本质上是进程地址空间中共享区域的虚拟地址，用来唯一标识每个线程。不同的线程拥有不同的虚拟地址，这使得可以区分每个线程。
使用 pthread_self() 函数获取线程ID，它实际上返回一个虚拟地址，用于唯一标识当前线程。
pthread_cancel 取决于线程库的实现，但在Linux的NPTL线程库中，线程ID本质上是共享区域上的虚拟地址。

函数总结

pthread_create 函数

原型：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

功能： pthread_create 用于创建新线程，并在新线程中执行指定的函数 start_routine。
参数意义：
thread：指向线程ID的指针，用于存储新线程的ID。
attr：线程属性，通常设置为 NULL，表示使用默认属性。
start_routine：线程执行的函数，这个函数接受一个 void* 参数，可以用来传递数据给新线程。
arg：传递给 start_routine 函数的参数。
返回值：
如果成功创建线程，返回0。
如果出现错误，返回相应的错误码。
注意事项：
线程创建成功后，新线程会执行 start_routine 函数，可以通过 pthread_join 或 pthread_detach 来回收线程资源。
pthread_create 创建的线程默认是可连接（joinable）的，需要调用 pthread_join 来等待线程的结束并回收资源。

pthread_cancel 函数

原型：
int pthread_cancel(pthread_t thread);

功能： pthread_cancel 用于取消指定线程的执行。
参数意义：
thread：被取消线程的ID。
返回值：
线程取消成功返回0，失败返回错误码。
注意事项：
线程可以被自己或其他线程取消，但通常建议由主线程或其他线程来取消目标线程。
当线程被成功取消后，它的退出码通常会变成-1，而不是原来设定的退出码。

pthread_detach 函数

原型：
int pthread_detach(pthread_t thread);

功能： pthread_detach 用于将线程分离，使其在退出后自动回收资源，无需显式调用 pthread_join。
参数意义：
thread：要分离的线程的ID。
返回值：
线程分离成功返回0，失败返回错误码。
注意事项：
分离线程后，线程退出时系统会自动回收线程资源，无需再调用 pthread_join。
分离和可连接（joinable）是冲突的，同一线程不能同时被分离和设置为可连接。

pthread_self 函数

原型：
pthread_t pthread_self(void);

功能： pthread_self 用于获取当前线程的线程ID。
参数意义：
无参数。
返回值：
返回调用线程的线程ID，通常是一个虚拟地址，用于唯一标识当前线程。
注意事项：
pthread_self 返回的线程ID用于标识当前线程，通常不需要显式创建，而是由线程库自动分配。

pthread_join 函数

原型：
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能： pthread_join 用于等待指定线程的结束，并获取其退出状态。
参数意义：
thread：要等待的线程的ID。
retval：一个指向指针的指针，用于存储被等待线程的退出状态。
返回值：
如果成功等待线程的结束，返回0。
如果出现错误，返回相应的错误码。
注意事项：
pthread_join 会阻塞调用线程，直到指定线程结束为止。
被等待线程的退出状态将被存储在 retval 指向的内存中，可以通过 **retval 来获取退出状态。
如果不关心线程的退出状态，可以将 retval 设置为 NULL。
如果线程已经被分离，或者已经被另一个线程等待，再次调用 pthread_join 将导致错误。
线程在退出时可以通过 pthread_exit 函数设置退出状态，退出状态通常是一个整数值，可以传递给其他线程以进行处理。