Linux線程詳解

一、線程概述

線程（Thread）是程序執行流的最小單位，它是進程內的一個執行單元。一個進程可以有多個線程，每個線程都可以運行在單獨的CPU上。與進程不同，線程共享進程內的一些資源，如內存、文件等。

線程的創建和銷毀比進程要方便快捷，因為它們不需要分配獨立的地址空間。因此，線程適合於需要高並發的場景，在網路編程、多媒體應用、資料庫等應用中都有非常廣泛的應用。

二、線程的創建

在Linux下，線程是通過調用pthread_create函數創建的。該函數的原型如下：

#include <pthread.h>

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

其中，thread 是指向pthread_t類型的指針，是線程的標識符，用於啟動、暫停、恢復和刪除線程；attr 是指向 pthread_attr_t 類型的指針，用於設置線程屬性，默認可以傳 NULL；start_routine 是指向函數的指針，這個函數是線程運行的起點；arg 是傳遞給線程的參數，可以是單個變數、結構體或指針。

下面的代碼演示了一個簡單的線程創建過程：

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

void *thread_func(void *arg) { 
    printf("Thread running\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

在這個例子中，線程運行的起點是 thread_func 函數，在該函數內部列印字元串 “Thread running”。在主函數中，調用 pthread_create 創建線程並傳入 thread_func 函數，等待線程執行完成後，調用 pthread_join 函數進行回收。

三、線程同步

在多線程環境下，由於多個線程可以同時訪問共享資源，因此需要同步操作以避免衝突。

Linux提供了多種同步機制，下面介紹其中兩種：互斥鎖和條件變數。

互斥鎖

互斥鎖（mutex）可以用來保證共享資源的互斥訪問。當一個線程獲取了互斥鎖，其他線程需要等待它釋放鎖後才能執行相應的操作。Linux下的互斥鎖實現在pthread.h頭文件中，它的主要函數包括：

• pthread_mutex_init 初始化互斥鎖
• pthread_mutex_destroy 銷毀互斥鎖
• pthread_mutex_lock 獲取互斥鎖
• pthread_mutex_unlock 釋放互斥鎖

下面是一個使用互斥鎖進行同步的例子：

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

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int counter = 0;

void *thread_func(void *arg) { 
    pthread_mutex_lock(&lock);
    counter++;
    printf("Thread ID: %d incremented counter to %d\n", (int)pthread_self(), counter);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[10];
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, NULL);
    }
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    printf("Final value of counter is %d\n", counter);
    return 0;
}

在這個例子中，10個線程共享變數counter，每個線程執行後將counter加1，並列印當前線程的ID和counter的值。由於多線程環境下，對共享變數的操作需要同步，因此在每個線程函數內部使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock進行互斥訪問。

條件變數

條件變數（condition variable）是一種同步機制，它能夠使一個線程等待另一個線程的通知。線程在條件變數上等待，直到另一個線程使用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函數通知它可以繼續執行。Linux下的條件變數實現在pthread.h頭文件中，它的主要函數包括：

• pthread_cond_init 初始化條件變數
• pthread_cond_destroy 銷毀條件變數
• pthread_cond_wait 等待條件變數
• pthread_cond_signal 喚醒一個線程
• pthread_cond_broadcast 喚醒所有線程

下面是一個使用條件變數進行同步的例子：

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

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int waiting = 1;

void *thread_func(void *arg) { 
    pthread_mutex_lock(&lock);
    while(waiting) {
        pthread_cond_wait(&cond, &lock);
    }
    printf("Thread ID: %d continuing...\n", (int)pthread_self());
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[5];
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, NULL);
    }
    sleep(1);
    printf("Wake up threads ...\n");
    pthread_mutex_lock(&lock);
    waiting = 0;
    pthread_cond_broadcast(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    return 0;
}

在這個例子中，5個線程在條件變數上等待，直到主線程調用pthread_cond_broadcast函數釋放條件變數並喚醒它們。線程運行的起點是thread_func函數，在該函數內部調用pthread_cond_wait等待條件變數，在條件變數被喚醒後，線程繼續執行並列印當前線程的ID。

四、線程的銷毀

在不需要某個線程繼續執行的時候，需要銷毀它以釋放內存等資源。Linux下，使用pthread_cancel函數可以向一個線程發送取消請求，這個請求是非同步執行的，即立即返回，線程本身仍然繼續執行。另外，還可以使用pthread_join函數等待線程執行完成後回收它的資源。

下面是一個使用pthread_cancel函數取消線程的例子：

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

void *thread_func(void *arg) { 
    int i = 0;
    while(1) {
        printf("Thread ID: %d count %d\n", (int)pthread_self(), i++);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(thread);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread canceled\n");
    return 0;
}

在這個例子中，創建了一個線程，不斷循環列印當前線程ID和計數器的值。在主程序中，通過調用pthread_cancel函數向線程發送取消請求，並使用pthread_join函數等待線程完成後回收資源。