Linux 【C编程】引入线程，线程相关函数

1.线程的引入

1.1使用线程同时读取键盘和鼠标

代码演示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
// 读取键盘输入的线程函数
void *keyboardThread(void *arg) {
    char c;
    while (1) {
        // 从键盘读取一个字符
        c = getchar();
        // 打印从键盘读取的字符
        printf("键盘输入: %c\n", c);
    }
}

int  main(){
    int ret = -1;
    int fd = -1;
    char buf[200];
    pthread_t th  =-1;
    //k开一个子线程
    ret = pthread_create(&th,NULL,keyboardThread,NULL);

    //主进程读取鼠标输入

    memset(buf,0,sizeof(buf));
    //读取鼠标
    fd = open("/dev/input/mouse0",O_RDONLY);
    if(fd<0){
        perror("open:");
        return -1;
    }

    while(1){
        read (fd,buf,2);  //从鼠标读取两位
        printf("mouse读出来的内容是 ：【%s】\n",buf);
    }
 
    return 0;

}

效果如下：
在这里插入图片描述
需要注意到的一点是：
使用了pthread库，因此编译时需要链接 -lpthread

1.2Linux中线程简介

在Linux系统中，线程是一种轻量级的执行单元，与进程共享相同的地址空间。
一个进程中可以有多个线程
线程是参与内核调度的最小单元

1.3线程技术的优势

并发执行：线程使得程序可以同时执行多个任务，从而提高了系统的并发性。这允许程序在某个线程等待I/O操作完成的同时，其他线程可以继续执行，提高了系统的利用率。
资源共享：线程之间共享同一进程的地址空间，可以更方便地共享数据。这样，多个线程可以访问和修改相同的变量，共享同一份代码和静态数据，减少了资源的冗余使用。
轻量级：相较于进程，线程是轻量级的执行单元。线程的创建、销毁和切换成本较低，因此在需要频繁创建和销毁执行单元的场景中，线程更为适用。
响应性：多线程可以使程序更加响应用户输入和事件。例如，在图形用户界面（GUI）应用程序中，一个线程可以负责用户界面的更新，而另一个线程可以处理用户输入，使得应用程序看起来更为流畅。
模块化设计：通过将不同的任务分配给不同的线程，可以实现模块化的程序设计。每个线程负责一个特定的功能或任务，使得代码更易于理解、维护和扩展。
性能提升：在多核处理器上，多线程程序可以更好地利用硬件资源，从而提高程序的性能。并行执行的线程可以在多个核心上同时运行，加速任务的完成。
异步编程：线程可以用于实现异步编程模型，通过在后台执行任务，使得程序能够继续执行其他操作。这对于需要处理I/O操作或等待外部事件的场景非常有用。
实时性：一些实时系统需要在特定时间内完成任务，线程可以用于实现对任务的及时响应，确保实时性要求得到满足。

2.线程中常见函数

2.1 线程创建与回收

pthread_create

POSIX 线程库中用于创建新线程的函数。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：一个指向 pthread_t 类型的变量的指针，用于存储新线程的标识符。
attr：一个指向 pthread_attr_t 类型的变量的指针，用于设置新线程的属性，通常可以传入 NULL 以使用默认属性。
start_routine：是一个指向函数的指针，该函数定义了新线程的起始点。新线程将从这个函数开始执行。这个函数的签名应为 void* start_routine(void*)。
arg：是传递给 start_routine 函数的参数。

函数返回值为 0 表示成功创建新线程，非零值表示出现了错误。

pthread_join
主线程等待（阻塞）回收子线程

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

thread：要等待的线程的标识符，通常由 pthread_create 返回得到。
retval：一个指向指针的指针，用于获取线程的返回值。如果不关心线程的返回值，可以将这个参数设置为 NULL。

可以说 pthread_create 与 pthread_join 成对出现的，一个负责创建一个负责回收
代码演示：

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

void *printMessage(void *arg) {
    char *message = (char *)arg;
    printf("%s\n", message);
    pthread_exit((void *)42);
}

int main() {
    pthread_t tid;
    char *message = "Hello from the new thread!";
    void *result;

    // 创建新线程
    int result_create = pthread_create(&tid, NULL, printMessage, (void *)message);
    if (result_create != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread creation failed: %d\n", result_create);
        return 1;
    }

    // 等待新线程结束
    int result_join = pthread_join(tid, &result);
    if (result_join != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread join failed: %d\n", result_join);
        return 1;
    }

    // 打印新线程的返回值
    printf("New thread returned: %ld\n", (long)result);

    return 0;
}

pthread_detach
用于将一个线程标记为“分离状态”（detached state）。线程的分离状态决定了线程退出后系统是否会自动回收其资源。

int pthread_detach(pthread_t thread);

这个函数的参数 thread 是要分离的线程的标识符，通常由 pthread_create 返回得到。函数返回值为 0 表示成功，非零值表示出现了错误。
调用 pthread_detach 将线程标记为“分离状态”，这意味着线程结束后，系统会自动回收其资源。分离状态的线程不再需要主线程调用 pthread_join 来等待其结束，因为线程结束后，它的所有资源都会被自动回收。
一旦调用 pthread_detach 将线程标记为分离状态，就无法再将其改回非分离状态。这意味着在设置分离状态后，主线程无需显式等待该线程的结束。
代码演示：

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

void *printMessage(void *arg) {
    char *message = (char *)arg;
    printf("%s\n", message);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t tid;
    char *message = "Hello from the detached thread!";

    // 创建新线程并设置为分离状态
    int result_create = pthread_create(&tid, NULL, printMessage, (void *)message);
    if (result_create != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread creation failed: %d\n", result_create);
        return 1;
    }

    // 设置线程为分离状态
    int result_detach = pthread_detach(tid);
    if (result_detach != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread detach failed: %d\n", result_detach);
        return 1;
    }

    // 主线程继续执行，不需要等待新线程结束

    return 0;
}

2.2线程取消

pthread_cancel
用于请求取消另一个线程的执行。该函数的原型如下：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

函数返回值为 0 表示成功发送取消请求，非零值表示出现了错误。

pthread_setcancelstate
子线程设置自己是否可以被取消，新线程被创建之后，默认是可以被取消的
pthread_setcanceltype
设置线程的取消类型。有两种类型：PTHREAD_CANCEL_DEFERRED 和 PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS。前者表示线程将在取消点检查取消请求，后者表示线程将在任何时刻检查取消请求。默认情况下，取消类型是 PTHREAD_CANCEL_DEFERRED。

线程会在取消点检查取消请求。取消点是一些标准的库函数，例如 pthread_join、sleep 等。
线程在执行这些函数时，会检查是否有取消请求。
代码演示：

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

void *cancelExample(void *arg) {
    while (1) {
        printf("Thread is running...\n");
        sleep(1);  // 休眠是一个取消点
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t tid;

    // 创建新线程
    int result_create = pthread_create(&tid, NULL, cancelExample, NULL);
    if (result_create != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread creation failed: %d\n", result_create);
        return 1;
    }

    // 主线程休眠一段时间后发送取消请求
    sleep(3);
    int result_cancel = pthread_cancel(tid);
    if (result_cancel != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread cancel failed: %d\n", result_cancel);
        return 1;
    }

    // 主线程等待新线程结束
    pthread_join(tid, NULL);

    return 0;
}

2.3线程退出

pthread_exit
pthread_exit 和 return 都用于结束线程的执行

void pthread_exit(void *retval);

pthread_exit 是一个线程库提供的函数，用于终止当前线程的执行。它可以传递一个指针作为线程的返回值，这个指针将被用作线程的退出状态。当调用 pthread_exit 时，线程的资源（如栈空间）不会被回收，需要通过其他线程调用 pthread_join 来等待并回收这个线程的资源。

pthread_cleanup_push
pthread_cleanup_pop
pthread_cleanup_push 是 POSIX 线程库中的函数，用于将清理函数（cleanup handler）推入线程的清理处理栈。它通常与 pthread_cleanup_pop 配合使用，用于在线程退出时执行一些清理操作。

void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);

pthread_cleanup_push 将清理函数和参数推入线程的清理处理栈。在线程退出时，栈上的所有清理函数都会被依次执行。
代码演示：

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

void cleanupHandler(void *arg) {
    printf("Cleanup handler: %s\n", (char *)arg);
}

void *threadFunction(void *arg) {
    // 推入清理函数和参数到栈
    pthread_cleanup_push(cleanupHandler, "First cleanup");
    pthread_cleanup_push(cleanupHandler, "Second cleanup");

    // 线程的主要逻辑
    printf("Thread is running.\n");
    // 模拟线程取消点（Cancellation Point）
    sleep(2);

    // 弹出清理函数，但不执行
    pthread_cleanup_pop(0);
    // 弹出清理函数，并执行
    pthread_cleanup_pop(1);

    // 正常退出
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t tid;

    // 创建新线程
    int result_create = pthread_create(&tid, NULL, threadFunction, NULL);
    if (result_create != 0) {
        fprintf(stderr, "Thread creation failed: %d\n", result_create);
        return 1;
    }

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

    return 0;
}