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Linux C/C++之线程基础

2024-10-14 37
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简介： 这篇文章详细介绍了Linux下C/C++线程的基本概念、创建和管理线程的方法，以及线程同步的各种机制，并通过实例代码展示了线程同步技术的应用。

1. 什么是线程

1.1 进程与线程

进程是操作系统资源调度的基本单位

线程是操作系统调度的基本单位

1.2 线程

线程，被称为轻量级进程(Lightweight Process,LWP),是程序执行流的最小单元

1.3 线程的发展史

2.2版本的内核中, 没有线程, 进程的个数也有限, 4090个, 线程是轻量级的进程, 2.4版本的内核中, 有了线程的概念, 线程的个数可以无限, 协程是更轻量级的线程

2. 如何创建,使用线程

2.1 pthread_create函数创建线程

创建并执行线程,执行代码为线程函数,并且和当前主线程并行

2.2 pthread_create函数的使用

//使用pthread_create 创建一个线程
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* pFunc(void* arg){
    int m = 1;
    while(1){
        printf("线程 --- m: %d\n",m++);
        sleep(1);
    }
}
int main(){
    int n = 1;
    //创建一个线程
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,NULL,pFunc,NULL);
    while(1){
        printf("主函数 --- n: %d\n",n++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.3 主线程结束, 分支线程也会随之结束

//当主线程结束,分支线程也会随即结束
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* pFunc(void* arg){
    int m = 1;
    while(1){
        printf("线程 --- m: %d\n",m++);
        sleep(1);
    }
}
int main(){
    int n = 1;
    //创建一个线程
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,NULL,pFunc,NULL);
    for(int i = 0; i < 5; i++){
        printf("主函数 --- n: %d\n",n++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.4 同一进程内多个线程共用进程资源

//同一进程内的线程共用进程的资源
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int num = 0;
void* pFunc1(void* arg){
    while(1){
        printf("线程1 --- num: %d\n",num++);
        sleep(1);
    }
}

void* pFunc2(void* arg){    //先于线程一执行
    while(1){
        printf("线程2 --- num: %d\n",num++);
        sleep(1);
    }
}

int main(){
    //创建一个线程
    pthread_t pid1,pid2;
    pthread_create(&pid1,NULL,pFunc1,NULL);
    pthread_create(&pid2,NULL,pFunc2,NULL);
    while(1){
        printf("主函数 --- num: %d\n",num++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.5 线程使用进程开辟的动态内存,主线程提前释放内存会造成的问题

//当使用动态内存申请时,主线程提前将内存释放会造成的问题
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void* pFunc(void* arg){
    while(1){
        printf("线程 --- arg: %d\n",*(int*)arg);
        sleep(1);
    }
}
int main(){
    int* n = (int*)malloc(4);
    *n = 666;
    //创建一个线程
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,NULL,pFunc,n);
    for(int i = 0; i < 5; i++){
        if(i == 2){
            free(n);
            n = NULL;
        }
        printf("主函数 --- n: %d\n",(*n)++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.6 使用地址传递传递数据到线程运行函数

//使用变量的地址传参 &
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* pFunc(void* arg){
    while(1){
        printf("线程 --- arg: %d\n",(*(int*)arg)++);
        sleep(1);
    }
}
int main(){
    int n = 666;
    //创建一个线程
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,NULL,pFunc,&n);
    while(1){
        printf("主函数 --- n: %d\n",n++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.7 使用值传递传递数据到线程运行函数

//使用(void*)变量直接传参
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* pFunc(void* arg){
    while(1){
        printf("线程 --- arg: %d\n",(int)arg++);
        sleep(1);
    }
}
int main(){
    int n = 666;
    //创建一个线程
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,NULL,pFunc,(void*)n);
    while(1){
        printf("主函数 --- n: %d\n",n++);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

2.8 结构体数据类型的参数传递

//结构体类型的参数传递
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

struct Student{
    char name[20];
    int age;
    double score;
};

void* pFunc(void* arg){
    struct Student* stu = (struct Student*)arg;
    while(1){
        printf("线程===\n");
        printf("name:%s,age:%d,score:%g\n",
            stu->name,stu->age,stu->score);
        sleep(1);
    }
}

int main(){

    struct Student stu = {"张三",18,66.66};
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,NULL,pFunc,&stu);
    for(int i = 0; i < 5; i++){
        printf("主函数---\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

3. 线程的结束

3.1 自然结束

线程运行完自己应该执行的代码块后自然结束

3.2 主线程结束, 分支线程随之结束

注: 主线程最好等待分支线程结束再结束

pthread_join函数使用

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

void* func(void* arg){
    while(1){
        sleep(2);
        printf("线程-----\n");    
    }
}

int main(){
    pthread_t pid;

    pthread_create(&pid,NULL,func,NULL);

    printf("主线程-----\n");

    return 0;
}

没有pthread_join函数的情况 , 主线程不会等待分支线程结束后再结束

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

void* func(void* arg){
    while(1){
        sleep(2);
        printf("线程-----\n");    
    }
}

int main(){
    pthread_t pid;

    pthread_create(&pid,NULL,func,NULL);

    printf("主线程-----\n");

    pthread_join(pid,NULL);

    return 0;
}

有pthread_join的情况,主线程会等待分支线程结束后,自己再结束

3.3 线程自己结束自己

进程的结束使用 exit 或 _exit

线程的结束使用 pthread_exit

//线程自己结束自己pthread_exit
//void pthread_exit(void *retval); retval线程结束的返回值
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* func(void* arg){
    int num = 666;
    for(int i = 0;i < 10; i++){
        if(i == 5){
            //pthread_exit((void*)num);
            pthread_exit((void*)"线程退出!");
        }
        printf("线程 >> %d\n",(*(int*)arg)++);
        sleep(1);
    }

}

int main(){
    int n = 1;
    void* pthread_res; //接收线程结束的返回值
    pthread_t pid;

    pthread_create(&pid,NULL,func,&n);

    pthread_join(pid,&pthread_res); //等待线程结束并接收返回值

    //printf("pthread_return: %d\n",(int)pthread_res);
    printf("pthread_return: %s\n",(char*)pthread_res);
    printf(" >> %d\n",n);

    return 0;
}

3.4 其它线程结束某个线程

pthread_cancel函数: 仅向线程发送一个结束请求, 至于是否结束看pthread_setcancelstate()函数参数一是**忽略(PTHREAD_CANCEL_DISABLE)还是响应(PTHREAD_CANCEL_ENABLE)**

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

int n = 1;
pthread_t pid1;

void* func1(void* arg){
    while(1){
        printf("线程1 >> %d\n",n++);
        //PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省：响应）
        //PTHREAD_CANCEL_DISABLE（忽略）
        pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE,NULL);
        pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED,NULL);
        //PTHREAD_CANCEL_DEFERRED（下个取消点）
        //PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS（异步(随时)取消）

        sleep(1);
    }
}

int main(){

    pthread_create(&pid1,NULL,func1,NULL);
    while(1){
        if(n == 5){
            pthread_cancel(pid1);
            break;
        }
    }

    pthread_join(pid1,NULL);

    printf(">> %d\n",n);

    return 0;
}

PTHREAD_CANCEL_ENABLE:

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

int n = 1;
pthread_t pid1;

void* func1(void* arg){
    while(1){
        printf("线程1 >> %d\n",n++);
        //PTHREAD_CANCEL_ENABLE（缺省：响应）
        //PTHREAD_CANCEL_DISABLE（忽略）
        pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);
        pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED,NULL);
        //PTHREAD_CANCEL_DEFERRED（下个取消点）
        //PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS（异步(随时)取消）
        //pthread_testcancel();  //加一个取消点

        printf("sleep1\n");
        sleep(1);

        printf("sleep2\n");
        sleep(1);

        printf("sleep3\n");
        sleep(1);
    }
}

int main(){

    pthread_create(&pid1,NULL,func1,NULL);
    while(1){
        if(n == 5){
            pthread_cancel(pid1);
            break;
        }
    }

    pthread_join(pid1,NULL);

    printf(">> %d\n",n);

    return 0;
}

4. 线程的同步

4.1 临界区域与临界数据

多个线程可以同时 访问 的 区域 称之为 临界区域

多个线程可以同时 操作 的 数据 称之为 临界数据

4.2 多个线程同时操作临界数据导致的问题

//多个线程同时操作临界数据,导致临界数据脏的问题
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

int n = 0;
void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 25000000; i++)
        n++;
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 25000000; i++)
        n++;
}

int main(){
    pthread_t p1,p2,p3,p4;

    pthread_create(&p1,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p2,NULL,func2,NULL);
    pthread_create(&p3,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p4,NULL,func2,NULL);

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p3,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p4,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);    // <= 100000000

    return 0;
}

4.3 使用线程同步解决临界数据脏的方式

内核态 用户态
原子锁(atomic) 读写锁(rwlock)
自旋锁(spin) 互斥锁(mutex)
信号量(sem) 临界变量(cond)

4.3.1 原子锁(atomic)

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

#define atomic_inc(x)  __sync_fetch_and_add(x,1)

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++)
        atomic_inc((int*)arg);
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++)
        atomic_inc((int*)arg);
}

int main(){
    pthread_t p1,p2;
    int n = 0;

    pthread_create(&p1,NULL,func1,&n);
    pthread_create(&p2,NULL,func2,&n);

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);    

    return 0;
}

4.3.2 自旋锁(spin)

自旋锁的建立消耗的资源少, 但是当线程阻塞时, 它会一直循环不断地检查锁是否可用, 因此当线程处于阻塞状态下, 消耗的资源相对较多

  1. 初始化自旋锁 pthread_spin_init
  2. 获取(上)锁 pthread_spin_lock
  3. 释放(解)锁 pthread_spin_unlock
  4. 销毁锁 pthread_spin_destroy
//自旋锁(spin)的使用
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

int n = 0;
//0. 定义自旋锁
pthread_spinlock_t spin;

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁
        pthread_spin_lock(&spin);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_spin_unlock(&spin);
    }
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁
        pthread_spin_lock(&spin);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_spin_unlock(&spin);
    }
}

int main(){
    pthread_t p1,p2;

    //1. 初始化自旋锁
    pthread_spin_init(&spin,PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);

    pthread_create(&p1,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p2,NULL,func2,NULL);

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);    

    //4. 销毁自旋锁
    pthread_spin_destroy(&spin);

    return 0;
}

4.3.3 信号量(sem)

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

int n = 0;
//0. 定义信号量
sem_t sem;

void* func1(void* arg){
    //信号量值减一
    if(0 == sem_wait(&sem)){
        for(int i = 0; i < 50000000; i++){
            n++;
            //信号量值加一
            sem_post(&sem);
        }
    }    
}

int main(){
    pthread_t p1,p2;

    //1. 初始化信号量
    //参数二 0 当前进程使用   1  多个进程间共享
    sem_init(&sem, 0, 2);

    pthread_create(&p1,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p2,NULL,func1,NULL);

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);

    //销毁信号量
    sem_destroy(&sem);    

    return 0;
}

4.3.4 读写锁(rwlock)

  1. 初始化读写锁 pthread_rwlock_init
  2. 获取锁 pthread_rwlock_wrlock(写锁) pthread_rwlock_rdlock(读锁)
  3. 释放锁 pthread_rwlock_unlock
  4. 销毁锁 pthread_rwlock_destroy
//读写锁(rwlock)的使用    读读相容
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int n = 0;
//0. 定义读写锁变量
pthread_rwlock_t rwlock;

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁(读锁)
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        //pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    }
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁(读锁)
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        //pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    }
}

int main(){
    pthread_t p1,p2;

    //1. 初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);

    pthread_create(&p1,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p2,NULL,func2,NULL);

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);    

    //4. 销毁读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock); 

    return 0;
}

读读相容

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁(读锁)
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    }
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁(写锁)
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    }
}

读写相斥

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁(写锁)
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    }
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁(写锁)
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    }
}

写写相斥

4.3.5 互斥锁(mutex)

互斥锁适合频繁操作的情况

若等待时间较长, 突然要解决事务(注意临界数据安全的问题)

互斥锁的建立消耗的资源多, 但是当线程阻塞时, 不会循环不断地检查锁是否可用, 因此当线程处于阻塞状态下不消耗资源

因此自旋锁适用于阻塞时间很短的情况, 互斥锁适用于阻塞时间很长的情况

  1. 初始化互斥锁 pthread_mutex_init
  2. 获取(上)锁 pthread_mutex_lock
  3. 释放(解)锁 pthread_mutex_unlock
  4. 销毁锁 pthread_mutex_destroy
//互斥锁(mutex)的使用
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

int n = 0;
//0. 定义互斥变量
pthread_mutex_t mutex;

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i < 50000000; i++){
        //2. 上锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //操作
        n++;
        //3. 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main(){
    pthread_t p1,p2;

    //1. 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

    pthread_create(&p1,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p2,NULL,func2,NULL);

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);
    //4. 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

4.3.6 临界变量(cond)

临界变量是互斥锁的升级(因此临界变量一般搭配互斥锁使用)

  1. 初始化互斥锁,临界变量 pthread_mutex_init pthread_cond_init
  2. 获取(上)锁, 临界变量等待 pthread_mutex_lock pthread_cond_wait
  3. 释放(解)锁 pthread_mutex_unlock
  4. 发信号给临界变量 pthread_cond_signal pthread_cond_broadcast
  5. 销毁锁,销毁临界变量 pthread_mutex_destroy pthread_cond_destroy
//临界(条件)变量(cond)的使用
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int n = 0;
//0. 定义互斥变量
pthread_mutex_t mutex;
//0. 定义临界变量
pthread_cond_t cond;

void* func1(void* arg){
    for(int i = 0; i <= 5; i++){
        //2. 上锁,临界变量等待
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        //操作
        printf("线程1 ------ %d\n",n++);
        //3. 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

void* func2(void* arg){
    for(int i = 0; i <= 5; i++){
        //2. 上锁,临界变量等待
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        //操作
        printf("线程2 ====== %d\n",n++);
        //3. 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main(){
    pthread_t p1,p2,p3,p4;

    //1. 初始化互斥锁和临界变量
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_cond_init(&cond,NULL);

    pthread_create(&p1,NULL,func1,NULL);
    pthread_create(&p2,NULL,func2,NULL);

    //4. 发信号给临界变量
    for(int i = 0; i < 13; i++){
        //解除全部线程的阻塞状态(一次)
        //pthread_cond_broadcast(&cond);
        //解除至少一个线程的阻塞状态(一次)
        pthread_cond_signal(&cond);
        //pthread_cond_signal(&cond);
        sleep(1);
    }

    pthread_join(p1,NULL);     //等待线程结束
    pthread_join(p2,NULL);     //等待线程结束

    printf("n: %d\n",n);    

    //5. 销毁互斥锁和临界变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

文章标签：
C++
Linux
资源调度
数据安全/隐私保护
调度
关键词：
C++线程
Linux c++
Linux线程
Linux c++线程
石小浪♪
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