【嵌入式Linux】＜总览＞ 多线程（更新中）

文章目录

前言

一、多线程

1. 概述

2. 创建线程

3. 线程退出

4. 线程回收

5. 线程分离

6. 线程取消

7. 线程的ID比较

二、线程同步

前言

记录学习多线程的知识重点与难点，若涉及版权问题请联系本人删除！

一、多线程

1. 概述

  • 线程是轻量级的进程，一个进程可以涵盖多个线程。
  • 线程是操作系统调度的最小单位，进程是资源分配的最小单位。
  • 多个线程有不同的“地位”：进程的虚拟地址空间的生命周期默认和主线程一样，与创建的子线程无关。当主线程执行完毕，虚拟地址空间就会被释放。
  • 每个线程都有唯一的线程ID（无符号的长整型数），类型为pthread_t。调用pthread_self函数就能得到当前线程的ID。
#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);

//使用pthread库，链接时需要加上选项-lpthread来指定动态库

进程与线程的区别：

  • 进程有独立的地址空间，线程共用同一个地址空间。每个线程都有自己的栈区和寄存器，多个线程共享代码段、堆区、全局数据区和文件描述符表。
  • 线程的上下文切换比进程快得多。

上下文切换：进程/线程分时复用CPU时间片，在切换前会保存当前状态，下次执行该任务时加载保存的状态。

控制多个线程个数：

  • 针对文件IO：线程个数=2*CPU核心数。
  • 针对复杂算法：线程个数=CPU核心数。

2. 创建线程

调用pthread_create函数：

【1】头文件：#include <pthread.h>

【2】函数原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

【3】参数说明：

  • thread：传出的参数，保存创建的线程ID。
  • attr：线程的属性，一般为NULL表示默认的属性。
  • start_routine：函数指针，线程的执行函数。
  • arg：作为实参传递到start_routine指向的函数内部。

【4】返回值：成功返回0，失败返回错误码。

程序实例：创建子线程，并在主线程内打印子线程和主线程的tid。同时，在子线程执行函数中打印信息。

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

void* doing(void *arg)
{
    printf("我是子线程, ID: %ld\n", pthread_self());
    return NULL;
}

int main(int argc, char ** argv)
{
    /* 创建子线程 */
    pthread_t tid;
    if (!pthread_create(&tid, NULL, doing, NULL)) {
        printf("子线程创建成功，其ID为：%ld\n", tid);
    }

    /* 主线程才会执行 */
    printf("主线程的ID：%ld\n", pthread_self());
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3. 线程退出

调用pthread_exit函数，调用后线程就退出了。只有当所有线程都退出了，虚拟地址空间才会释放。

【1】头文件：#include <pthread.h>

【2】函数原型：void pthread_exit(void *retval);

【3】参数说明：retval表示子线程退出后返回主线程的数据。不需要时使用NULL。

程序实例：创建子线程，在子线程的执行函数中睡眠3秒后打印信息，主进程创建完子线程后调用pthread_exit函数退出。

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

/* 子线程执行函数 */
void* doing(void *arg)
{
        sleep(3);//延迟三秒，确定主线程是否会退出
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
                printf("我是子线程!\n");
                if (i == 3) {
                        pthread_exit(NULL);
                }
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
        /* 创建子线程 */
        pthread_t tid;
        if (!pthread_create(&tid, NULL, doing, NULL)) {
                printf("子线程创建成功，ID: %ld\n", tid);
        }

        /* 主线程：调用pthread_exit不会释放虚拟地址空间 */
        pthread_exit(NULL);
        return 0;
}

4. 线程回收

主线程调用pthread_join函数来阻塞式回收子线程。若子线程还在运行，那么该函数就会阻塞。该函数只能回收一个子线程，若想回收多个可以考虑采用循环。

【1】头文件：#include <pthread.h>

【2】函数原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

【3】参数说明：

  • thread：要回收的子线程ID。
  • retval：接收子线程通过pthread_exit传出的数据。

【4】返回值：回收成功返回0，失败返回错误号。

【5】注意：

  • 若子线程返回的数据位于子线程的栈区中，那么当子线程退出后其栈区就会被释放，主线程获取的数据就是无效的。
  • 由于多个线程共用堆区和全局数据区，可以将子线程的数据保存于全局变量中。
  • 由于主线程要回收子线程，一般都是最后退出。因此，可以将主线程的栈区变量传入子线程，在子线程中进行修改。

程序实例：借助主线程的栈区变量，将其传入子线程中，子线程将数据保存至该变量中，最后通过pthread_exit函数返回主线程，主线程调用pthread_join函数回收子线程并获取子线程返回的数据。

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

void* doing(void *arg)
{
    int *i = (int *)arg;
    *i = 666666;
    printf("子线程将参数修改为: %d\n", *i);
    pthread_exit(i);
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    /* 创建子线程 */
    pthread_t tid;
    int variable = 0;//主线程栈区变量
    pthread_create(&tid, NULL, doing, &variable);

    /* 主线程获取子线程退出时的数据 */
    void *ret = NULL;
    pthread_join(tid, &ret);//回收子线程
    printf("主线程获取子线程数据: %d\n", *(int*)ret);
    return 0;
}

5. 线程分离

如果总是让主线程来回收子线程，那么可能会出现子线程一直运行，而主线程阻塞在pthread_join函数，无法执行其他任务。因此，可以调用pthread_detach函数将子线程分离。当子线程退出时，其内核资源就会被系统其他进程接管并回收。

【1】头文件：#include <pthread.h>

【2】函数原型：int pthread_detach(pthread_t thread);

【3】参数说明：thread是要分离的线程ID。

【4】返回值：成功返回0，失败返回错误号。

程序实例：主线程与子线程分离，主线程执行完任务后就退出。

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

void* doing(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 9; ++i) {
        printf("Hello, Can! %d\n", i);
        if (i == 4) {
            pthread_exit(NULL);
        }
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    /* 创建子线程  */
    pthread_t tid;
    int retCreate = pthread_create(&tid, NULL, doing, NULL);
    if (retCreate != 0) {
        perror("pthread_create error!");
        return -1;
    }

    /* 主线程与子线程分离 */
    int retDetach = pthread_detach(tid);
    if (retDetach != 0) {
        perror("pthread_detach error!");
        pthread_join(tid, NULL);
    }

    /* 主线程执行其他任务 */
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("我是主线程, %d\n", i);
    }
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

6. 线程取消

线程取消就是一个线程杀死另一个线程。线程A杀死线程B需要两个条件：①线程A调用pthread_cancel函数；②线程B进行一次系统调用，从用户态切换回内核态。

【1】头文件：#include <pthread.h>

【2】函数原型：int pthread_cancel(pthread_t thread);

【3】参数说明：thread是要杀死的线程ID。

【4】返回值：成功返回0，失败返回错误号。

程序实例：主线程杀死子线程。当子线程执行pthread_self函数时就会被杀死，因为该函数间接调用了系统调用函数。

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

void* doing(void *arg)
{
    printf("子线程: 我要调用pthread_self了！\n");
    printf("子线程: %ld\n", pthread_self());
    sleep(2);//确保杀死子线程时间足够
    printf("子线程: 我还活着吗？\n");

    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    /* 创建子线程 */
    pthread_t tid;
    if (pthread_create(&tid, NULL, doing, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create error!");
        return -1;
    }

    /* 主线程杀死子线程 */
    if (pthread_cancel(tid) != 0) {
        perror("pthread_cancel error!");
    }

    /* 主线程退出  */
    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}

7. 线程的ID比较

调用pthread_equal函数来比较两个线程的ID是否相等。

【1】头文件：#include <pthread.h>

【2】函数原型：int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

【3】参数说明：t1和t2就是两个线程的ID。

【4】返回值：相同返回非0值，不同返回0.

程序实例：主线程创建子线程，然后判断主线程和子线程的ID是否相同。

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

void* doing(void *arg)
{
    printf("我是子线程\n");
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    /* 创建子线程 */
    pthread_t tid;
    if (pthread_create(&tid, NULL, doing, NULL) != 0) {
        perror("create error!");
        return -1;
    }

    /* 比较线程ID是否相等*/
    pthread_t tidMain = pthread_self();
    if (pthread_equal(tidMain, tid) > 0) {
        printf("主线程ID: %ld, 子线程ID: %ld, 二者相等\n", tidMain, tid);
    } else {
        printf("主线程ID: %ld, 子线程ID: %ld, 二者不相等\n", tidMain, tid);
    }

    return 0;
}

二、线程同步

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