Linux系统编程系列之线程

一、什么是线程

        线程（Thread）是计算机中的基本执行单元，是操作系统调度的最小单位。线程是进程内的一个独立执行流程，一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但每个线程都有自己的独立栈空间以及程序计数器。

二、线程与进程的优缺点

        1、线程的优点

        （1）、线程创建和销毁的开销比进程小，因为线程共享进程中的地址空间和其他资源。

        （2）、线程可以同时执行多个任务，提高了系统的并发性能。

        （3）、线程之间的通信和同步比进程之间的通信和同步更快捷和简单，因为线程共享同一进程的内存。

        （4）、线程可用于执行GUI等交互性任务而不会卡住整个应用程序。

        2、线程的缺点

        （1）、 多线程访问共享数据时，需要使用同步技术，否则会导致不可预期的结果。

        （2）、 线程的调试和bug定位比较困难，因为多个线程共享进程的执行环境。

        （3）、 如果线程中出现了异常，可能会影响整个进程。

        3、进程的优点

        （1）、 进程相互独立，不会相互影响，因此更加健壮和安全。

        （2）、进程可以在不同的硬件和操作系统上运行，更具有可移植性。

        （3）、 进程使用管道等IPC（进程间通信）机制可以方便的实现进程之间的通信和同步。

        4、进程的缺点

        （1）、进程创建和销毁的开销比较大，因为每个进程都需要独立的地址空间和系统资源。

        （2）、进程之间通信和同步需要使用IPC技术，比较繁琐和复杂。

        （3）、进程的并发性能比较差，不能同时执行多个任务。

三、线程的使用场景

        1、多任务处理：多线程可以同时处理多个任务，提高程序的执行效率和响应速度。

        2、并发访问：当多个线程同时访问共享资源时，需要使用线程控制技术，避免出现竞态条件和死锁等问题。

        3、异步编程：线程可以在后台执行一些耗时的操作，不会阻塞主线程，提高程序的用户体验。

        4、服务器编程：服务器一般要同时处理多个客户端请求，使用多线程可以提高服务器的并发处理能力。

        5、图形界面编程：图形界面程序中需要使用线程避免阻塞用户界面，实现异步更新UI界面。

        6、大数据处理：对于大数据处理和分析，多线程可以提高数据处理的效率和速度。

        7、游戏开发：游戏开发中需要实时更新游戏画面和处理用户输入，需要使用多线程技术实现。

四、与线程有关的函数API

        1、线程的创建

        创建一条POSIX线程非常简单，只需要指定线程的执行函数即可

// 创建一条线程
int pthread_create(pthread_t *thread, 
                   const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), 
                   void *arg);

// 接口说明：
    返回值：成功返回0，失败返回一个错误码
    参数thread：新线程的TID
    参数attr：线程属性，若创建标准线程则该参数可设置为NULL
    参数start_routine：线程函数，是一个回调函数，跟信号的例程函数有点像
    参数arg：线程函数的参数

         2、线程的退出

        与进程类似，当一条线程执行完毕其任务时，可以使用接口来退出

// 线程的退出
void pthread_exit(void *retval);

// 接口说明
    参数retval：线程的返回值，若线程没有数据可返回则可写成NULL

pthread_exit()与exit()的区别
pthread_exit()：退出当前线程
exit()：退出当前进程（即退出进程中的所有进程）

         3、线程的结合

        与进程类似，线程退出后不会立即释放其所占有的系统资源，而会成为一个僵尸线程。其他线程可使用pthread_join()来释放僵尸线程的资源，并可获得其退出时返回的退出值，该函数接口被称为线程的接合函数：

// 阻塞等待指定线程退出
int pthread_join(pthread_t tid, void **val);

// 非阻塞接合指定线程退出
int pthread_tryjoin_np(pthread_t tid, void **retval);

// 在指定时间内阻塞接合指定线程的退出
int pthread_timedjoin_np(pthread_t tid, void **retval, const struct timespec *ashtime);

// 接口说明
    （1）若指定tid的线程尚未退出，那么该函数将持续阻塞
    （2）若只想阻塞等待指定线程tid退出，而不想要其退出值，那么val可置为NULL
    （3）若指定tid的线程处于分离状态，或者不存在，则该函数会出错返回

        4、获取线程TID

        

// 获取线程TID
pthread_t pthread_self(void);

// 接口说明
    返回值：线程TID

该接口类似进程管理中的getpid()，但是进程的PID是系统全局资源，而线程的TID仅限于进程内部的线程间有效。当我们要对某条线程执行发送信号，取消，阻塞接合等操作时，需要用到线程的TID。

        5、线程错误码

        线程函数对系统错误码的处理跟标准C库函数的处理方式有很大不同，标准C库函数会对全局错误码errno进行设置，而线程函数发生错误时会直接返回错误码。以线程接合为例，若要判定接合是否成功，成功的情况下输出僵尸线程的退出值，失败的情况下输出失败的原因，实现代码应该这么写

#include  // 头文件中定义了errno变量

void *val;

errno = pthread_join(tid, &val);

if(errno == 0)
{
    printf("成功接合线程，其退出值为：%d\n", (int)val;
}
else
{
    perror("接合线程失败");
}

        6、函数单例

        许多时候，我们希望某个函数只被严格执行一次，这种需求在一些初始化功能模块中尤为常见，但是如果某个进程中内含多条线程，无法预先知晓哪条线程会先执行，那么初始化就会被执行多次，但如果使用函数单例就会只执行一次。

// 函数单例启动接口
int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));

// 接口说明
    
    参数once_control：用来关联某个函数单例，被关联的函数单例只会被执行一遍
    参数init_routine：函数指针指向的函数就是只执行一遍的函数单例

// 通常参数once_control指定为函数单例控制
    pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

五、案例

// 线程的案例

#include 
#include 
#include 
#include 

int flag = 0;   // 简单的标志位来控制同步
char data[100];

// 线程1的例程函数，用来接收数据
void *recv_routine(void *arg)
{
    printf("I am recv_routine, my tid = %ld\n", pthread_self());
    while(1)
    {
        if(flag)
        {
            printf("pthread1 read data: %s\n", data);
            memset(data, 0, sizeof(data));
            flag = 0;
        }
    }
}

// 线程2的例程函数，用来发送数据
void *send_routine(void *arg)
{
    printf("I am send_routine, my tid = %ld\n", pthread_self());
    while(1)
    {
        printf("please input data:\n");
        fgets(data, 100, stdin);
        printf("pthread2 send data\n");
        flag = 1;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2;

    // 创建线程1，用来接收数据
    errno = pthread_create(&tid1, NULL, recv_routine, NULL);
    if(errno == 0)
    {
        printf("pthread create recv_routine success, tid = %ld\n", tid1);
    }
    else
    {
        perror("pthread create recv_routine fail\n");
    }

    // 创建线程2，用来发送数据
    errno = pthread_create(&tid2, NULL, send_routine, NULL);
    if(errno == 0)
    {
        printf("pthread create send_routine success, tid = %ld\n", tid2);
    }
    else
    {
        perror("pthread create send_routine fail\n");
    }

    // 一定要加这个，否则主函数直接退出，相当于进程退出，所有线程也退出
    // 或者加上while(1)等让主函数不退出
    pthread_exit(0);
    
    return 0;
}

六、总结

        线程可以提供系统的并发性，开销比进程更加小，但是不如进程健壮，移植性好。线程有自己的属性，下一篇博客将讲解。