【Linux探索学习】第二十九弹——线程概念：Linux线程的基本概念与线程控制详解

Linux学习笔记：

https://blog.csdn.net/2301_80220607/category_12805278.html?spm=1001.2014.3001.5482

前言：

在现代操作系统中，线程是程序执行流的最小单元。与进程相比，线程更加轻量级，创建和销毁的开销更小，且线程之间可以共享内存空间，因此在多任务处理、并发编程中，线程的使用非常广泛。Linux作为一个多用户、多任务的操作系统，提供了强大的线程支持。本文将详细介绍Linux中线程的基本概念以及线程控制的相关知识，并通过代码示例帮助读者更好地理解。

一、线程的基本概念

1.1 什么是线程？

1.2 线程与进程的区别

1.3 线程的优点

1.4 线程的缺点

二、Linux中的线程模型

2.1 用户级线程与内核级线程

2.2 Linux的线程实现

三、线程控制

3.1 线程的创建与终止

3.1.1 创建线程

3.1.2 终止线程

3.2 线程的属性

3.3 线程的取消

3.4 线程的清理

四、线程分离

4.1 什么是线程分离？

4.2 设置线程为分离状态

4.3 线程分离的注意事项

五、线程的调度

5.1 线程的调度策略

5.2 设置线程的调度策略

五、总结

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

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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：

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：

正常返回：线程函数执行完毕并返回，线程自动终止。

调用pthread_exit：线程可以调用pthread_exit函数主动终止自己。

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：

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：

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：

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

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。

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。

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 <unistdh>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FIFOparam.sched_priority = 50;  // 设置优先级pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);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：