Linux 多線程詳解

一、線程的概念

線程是操作系統調度的最小單位，它是進程中的一個執行單位。一個進程可以擁有多個線程，這些線程可以共享進程的資源，包括內存、文件等。線程之間的切換比進程之間的切換代價要小很多，也更加高效。在Linux系統中，線程的實現依賴於操作系統提供的POSIX線程庫（pthread）。

二、線程的創建和銷毀

線程的創建和銷毀是多線程編程的基本操作。在Linux系統中，線程的創建和銷毀都是通過pthread庫提供的函數實現的。例如，創建一個線程可以使用pthread_create函數，銷毀一個線程可以使用pthread_cancel函數。

void *thread_func(void *arg){
    printf("This is a pthread.\n");
    pthread_exit(NULL);
}
int main(){
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);  //創建一個線程
    if(ret){
        printf("Create pthread error!\n");
        return -1;
    }
    pthread_join(tid, NULL);  //等待子線程結束
    return 0;
}

在上面的示例代碼中，pthread_t類型的tid變數儲存著新建線程的線程ID。pthread_create函數接受四個參數，第一個參數是指向新線程標識符的指針，第二個參數用於設置線程屬性，第三個參數是新線程運行的函數，第四個參數是傳給函數的參數。pthread_join函數用於等待子線程結束。

三、線程同步與互斥

線程同步與互斥是多線程編程中必須掌握的概念，它們是保證多個線程安全共享數據的重要手段。Linux系統提供了多種同步和互斥機制，其中最常用的是互斥鎖和條件變數。

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void *thread_func(void *arg){
    // 模擬線程同步
    pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加鎖
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 等待條件變數的信號
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解鎖
    printf("Thread is over.\n");
    pthread_exit(NULL);
}
int main(){
    pthread_t tid;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥鎖
    pthread_cond_init(&cond, NULL);  // 初始化條件變數
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);  // 創建一個線程
    if(ret){
        printf("Create pthread error!\n");
        return -1;
    }
    // 模擬線程同步
    sleep(5);
    pthread_cond_signal(&cond); // 發送信號
    pthread_join(tid, NULL); // 等待子線程結束
    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 銷毀互斥鎖
    pthread_cond_destroy(&cond);  // 銷毀條件變數
    return 0;
}

在上面的示例代碼中，使用pthread_mutex_t定義了互斥鎖和pthread_cond_t定義了條件變數。pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock函數用於加鎖和解鎖互斥鎖，pthread_cond_wait函數用於等待條件變數的信號，pthread_cond_signal函數用於發送信號。

四、線程池

線程池是提高多線程執行效率的重要手段，它可以使得多個線程共享一定數量的線程資源，避免了線程頻繁創建和銷毀的開銷。在Linux系統中，線程池的實現主要依賴於pthread庫提供的線程創建、銷毀和管理函數。

#define THREAD_NUM 5
#define QUEUE_SIZE 10
pthread_t threads[THREAD_NUM];
int queue[QUEUE_SIZE];
int front = 0, rear = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void *worker_func(void *arg){
    int thread_id = *(int *)arg;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加鎖
        while(front == rear){  // 隊列為空，等待信號
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        int task = queue[front++];  // 從隊列中取出任務
        printf("Thread %d get task %d.\n", thread_id, task);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解鎖
        sleep(2);  // 模擬任務執行
    }
    pthread_exit(NULL);
}
int main(){
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    int tids[THREAD_NUM];
    for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++){
        tids[i] = i + 1;
        pthread_create(&threads[i], NULL, worker_func, &tids[i]);  // 創建線程
    }
    srand(time(NULL));
    for(int i = 0; i < 20; i++){  // 向隊列中添加任務
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加鎖
        while((rear + 1) % QUEUE_SIZE == front){  // 隊列已滿，等待信號
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        queue[rear] = rand() % 100;  // 添加任務
        rear = (rear + 1) % QUEUE_SIZE;
        printf("Task %d added to queue.\n", i);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解鎖
        pthread_cond_signal(&cond);  // 發送信號
        sleep(1);
    }
    for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++){
        pthread_cancel(threads[i]);  // 結束線程
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 銷毀互斥鎖
    pthread_cond_destroy(&cond);  // 銷毀條件變數
    return 0;
}

在上面的示例代碼中，創建了一個固定大小的隊列來儲存任務，使用互斥鎖保證隊列的線程安全，使用條件變數通信。線程池中包括多個工作線程，它們都從隊列中獲取任務進行執行。主線程向隊列中添加任務，使用pthread_cond_broadcast函數給所有線程發送信號，線程池的核心在於阻塞等待隊列消息，並動態創建線程。