【Linux系统编程】第四十二弹---多线程编程全攻略：涵盖线程创建、异常处理、用途、进程对比及线程控制

小林熬夜学编程2024-11-06 14:35

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目录

1、线程创建

2、线程异常

3、线程用途

[4、进程 VS 线程](#4、进程 VS 线程)

5、线程控制

5.1、创建和等待线程

1、线程创建

线程能看到进程的大部分资源，下面做一个对全局变量修改的测试验证！！！

代码演示

int gval = 100;

void* threadStart(void* args)
{
    // 新线程
    while(true)
    {
        std::cout << "new thread running..." << ",pid: " << getpid()
        << ",gval: " << gval << ",&gval: " << &gval << std::endl;

        sleep(1);
    }
}

// 线程访问全局变量
int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid,nullptr,threadStart,(void*)"thread-new");

    // 主线程
    while(true)
    {
        std::cout << "main thread running..." << ",pid: " << getpid()
        << ",gval: " << gval << ",&gval: " << &gval << std::endl;

        gval++; // 主线程修改全局变量
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

运行结果

2、线程异常

  • 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃 ，进程也会随着崩溃
  • 线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出

代码演示

// 单个线程崩溃，会导致进程崩溃
int gval = 100;

void *threadStart(void *args)
{
    // 新线程
    while (true)
    {
        sleep(1);
        int x = rand() % 5; // 生成0-4的随机数
        std::cout << "new thread running..." << ",pid: " << getpid()
                  << ",gval: " << gval << ",&gval: " << &gval << std::endl;
        // 随机数等于0则让线程崩溃
        if (x == 0)
        {
            int *p = nullptr; // 空指针解引用问题
            *p = 100;
        }
    }
}

// 线程访问全局变量
int main()
{
    srand(time(nullptr));
    // 创建3个线程
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new1");

    pthread_t tid2;
    pthread_create(&tid2, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new2");

    pthread_t tid3;
    pthread_create(&tid3, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new3");
    // 主线程
    while (true)
    {
        std::cout << "main thread running..." << ",pid: " << getpid()
                  << ",gval: " << gval << ",&gval: " << &gval << std::endl;

        gval++; // 主线程修改全局变量
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

运行结果

3、线程用途

  • 合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率
  • 合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）

4、进程 VS 线程

  • 进程是资源分配的基本单位
  • 线程是调度的基本单位
  • 线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据:
    • 线程ID
    • 一组寄存器(保存硬件上下文数据)
    • 栈(程序在运行的时候，会形成各种临时变量，临时变量被每个线程保存在自己的栈区)
    • errno
    • 信号屏蔽字
    • 调度优先级

进程的多个线程共享 同一地址空间 ,因此Text Segment、Data Segment都是共享的,如果定义一个函数,在各线程中都可以调用,如果定义一个全局变量,在各线程中都可以访问到,除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境:

  • 文件描述符表
  • 每种信号的处理方式(SIG_ IGN、SIG_ DFL或者自定义的信号处理函数)
  • 当前工作目录
  • 用户id和组id

进程和线程的关系如下图:

如何看待之前学习的单进程？

具有一个线程执行流的进程 。

线程调度成本为什么比进程更低？(面试题)

一、进程与线程的基本概念

  1. 进程 ：进程是资源分配的最小单位，每个进程都有自己独立的地址空间，系统需要为进程分配地址空间并建立数据表来维护其代码段、堆栈段和数据段。这种操作相对复杂且开销较大。
  2. 线程 ：线程是程序执行的最小单位（资源调度的最小单位），它是进程的一部分，共享进程所拥有的资源。因此，线程切换时无需像进程切换那样重新分配地址空间和维护数据表，从而减少了开销。

二、上下文切换的开销

  1. CPU上下文切换：无论是进程调度还是线程调度，都需要进行CPU上下文切换。这部分开销在两者中是相似的。
  2. CPU Cache/TLB命中率 ：线程切换时，由于多个线程共享进程的地址空间，因此CPU Cache（高速缓存）和TLB（转换后备缓冲器）中的内容在切换后仍然有效，命中率较高。而进程切换时，由于地址空间的变化，原有的Cache和TLB内容可能不再适用，导致命中率下降，触发更多的缺页中断，从而增加了开销。

三、资源共享与通信

  1. 资源共享 ：线程共享进程的资源，包括地址空间、全局变量、静态变量等。这使得线程之间的通信更加便捷，无需像进程间通信那样通过IPC（进程间通信）方式进行，从而减少了通信开销。
  2. 通信开销 ：进程间通信需要借助额外的机制（如管道、信号、共享内存等），这些机制的实现和维护都会增加开销。而线程间通信则可以直接通过共享内存进行，无需额外的通信机制。

四、创建与销毁的开销

  1. 创建开销 ：由于进程需要分配独立的地址空间和维护数据表，因此创建进程的开销相对较大。而线程则共享进程的地址空间，无需进行这些操作，因此创建线程的开销较小。
  2. 销毁开销 ：同样地，由于进程拥有独立的资源，因此在销毁时需要释放这些资源，开销较大。而线程则无需释放独立的资源，销毁开销相对较小。

5、线程控制

线程控制：创建，终止，等待，分离！

POSIX线程库

  • 与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以"pthread_"打头的
  • 要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h>
  • 链接这些线程函数库时要使用编译器命令的"-lpthread"选项

5.1、创建和等待线程

pthread_join()

pthread_join - 等待指定的线程终止

#include <pthread.h>

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

参数：

  • pthread_t thread ：这是你想要等待的线程的标识符。线程标识符是在创建线程时通过 pthread_create 函数返回的。
  • void **retval ：这是一个指向指针的指针(二级指针)，用于接收被等待线程的返回值。如果你不需要获取线程的返回值，可以将这个参数设置为 nullptr 。被等待线程的返回值应该是一个 void* 类型的指针，在调用 pthread_exit 或从线程的启动函数返回时设置。

返回值：

  • 成功时 ，pthread_join 返回 0。
  • 失败时，返回一个错误码 。常见的错误码包括：
    • ESRCH：指定的线程不存在。
    • EINVAL：线程不是可连接的（即，线程不是可加入的，可能因为它已经终止了，或者它是以分离状态创建的）。
    • EDEADLK：检测到死锁（在尝试加入一个已经由调用线程加入的线程时可能发生）。
    • 其他可能的错误码，具体取决于系统实现。

代码演示

新线程执行函数

void *threadRun(void *args)
{
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        // 每隔一秒打印一次
        std::cout << "new thread run...,cnt: " << cnt-- << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

主函数

int main()
{
    pthread_t tid;
    // 创建新线程
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread 1");
    if (n != 0) // 后面暂时不关心
    {
        std::cerr << "create thread errno " << std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    n = pthread_join(tid,nullptr); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success " << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

问题1 : main 和 new 线程谁先运行？

不确定

问题2 : 我们期望谁最后退出？

main thread最后退出，类似与父进程最后退出，回收子进程 , 你如何保证呢？

  • join来保证。 不join呢？
    • 主线程活着，新线程退出会造成类似僵尸问题

问题3 :tid是什么样子的？是什么呢？

tid通过10进制打印是一个很大的值，tid实际上是一个虚拟地址，可以通过16进制进行打印。

打印函数

// 10进制打印tid
void PrintToDec(pthread_t &tid)
{
    std::cout << "tid: " << tid << std::endl; 
}

// 16进制打印tid
std::string PrintToHex(pthread_t &tid)
{
    char buffer[128];
    snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%lx",tid);
    return buffer;
}

主函数

int main()
{
    pthread_t tid;
    // 创建新线程
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread 1");
    // 问题3 : tid是什么样子的？是什么呢？虚拟地址！ 为什么？
    PrintToDec(tid); // 按照10进制方式打印
    std::string tid_str = PrintToHex(tid); // 按照16进制方式打印
    std::cout << "tid: " << tid_str << std::endl;

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    n = pthread_join(tid,nullptr); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success " << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

问题4 : 全面看待线程函数传参？

我们可以传递任意类型，但你一定要能想得起来，也能传递类对象地址！！

方式一：传字符串常量

代码演示

void *threadRun(void *args)
{
    std::string name = (const char*)args;
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        // 每隔一秒打印一次
        std::cout << name << " run...,cnt: " << cnt-- << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    // 创建新线程
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread 1");

    std::string tid_str = PrintToHex(tid); // 按照16进制方式打印出来
    std::cout << "tid: " << tid_str << std::endl;

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    n = pthread_join(tid,nullptr); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success " << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

方式二：传整数

代码演示

void *threadRun(void *args)
{
    int a = *(int*)args;// warning 系统为64位，指针大小为8字节，int为4字节
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        std::cout << a << " run...,cnt: " << cnt-- << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    int a = 100;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)&a);

    std::string tid_str = PrintToHex(tid); // 按照16进制方式打印出来
    std::cout << "tid: " << tid_str << std::endl;

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    n = pthread_join(tid,nullptr); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success " << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

方式二：传类对象

代码演示

class ThreadData
{
public:
    std::string name;
    int num;
};

void *threadRun(void *args)
{
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args); // 安全类别强转 (ThreadData*)args

    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        std::cout << td->name << " run...,num is " << td->num << ",cnt: " << cnt-- << std::endl; 
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

主函数

int main()
{
    pthread_t tid;
    ThreadData td;
    td.name = "thread-1";
    td.num = 1;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)&td); // 传递线程结构体对象

    std::string tid_str = PrintToHex(tid); // 按照16进制方式打印出来
    std::cout << "tid: " << tid_str << std::endl;

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    n = pthread_join(tid,nullptr); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success " << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

创建新线程访问栈上的空间不推荐 ，因为当多个新线程访问同一个结构体数据时，可能造成数据互相影响的问题，如果只读问题不大，但是如果一个线程对该数据进行修改，那么后面所有线程访问的数据都会修改！！！

// 再创建一个新线程，使用同一个局部变量，修改值两个都修改了
td.name = "thread-2";
td.num = 2;
n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void*)&td); // 传递线程结构体对象

运行结果

推荐在堆上申请空间，一个新线程申请一个类对象，使用完毕释放空间！

void *threadRun(void *args)
{
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args); // 安全类别强转 (ThreadData*)args

    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        std::cout << td->name << " run...,num is " << td->num << ",cnt: " << cnt-- << std::endl; 
        sleep(1);
    }
    std::cout << "delete td:" << td << std::endl;
    delete td; // 释放空间
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    ThreadData* td = new ThreadData();
    td->name = "thread-1";
    td->num = 1;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, td); 

    std::string tid_str = PrintToHex(tid); // 按照16进制方式打印出来
    std::cout << "tid: " << tid_str << std::endl;

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    n = pthread_join(tid,nullptr); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success " << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

问题5: 全面看待线程函数返回:？

新线程函数返回值

1、只考虑正确的返回，不考虑异常，因为异常了，整个进程就崩溃了，包括主线程。

新线程通过函数返回值给主线程！！！

代码演示

void *threadRun(void *args)
{
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args); // 安全类别强转 (ThreadData*)args
    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        std::cout << td->name << " run...,num is " << td->num << ",cnt: " << cnt-- << std::endl; 
        // int* p = nullptr;
        // *p = 100; // 故意野指针
        sleep(1);
    }
    std::cout << "delete td:" << td << std::endl;
    delete td; // 释放空间
    return (void*)111;
}

主线程获取新线程的返回值信息！！！

int main()
{
    pthread_t tid;

    ThreadData* td = new ThreadData();
    td->name = "thread-1";
    td->num = 1;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, td); 

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    void* code = nullptr; // 开辟了空间的！！！
    n = pthread_join(tid,&code); 
    if(n == 0)
    {
        // 主线程拿新线程的退出信息，int会有精度损失，Linux中地址8字节，int4字节
        std::cout << "main thread wait success, new thread exit code: " << (uint64_t)code << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

新线程故意野指针！！！

运行结果

2、我们可以传递任意类型，但你一定要能想得起来，也能传递类对象地址！！

类对象

class ThreadData
{
public:
    int Excute()
    {
        return x + y;
    }
public:
    std::string name;
    int x;
    int y;
};

class ThreadResult
{
public:
    std::string Print()
    {
        return std::to_string(x) + "+" + std::to_string(y) + "=" + std::to_string(result);
    }
public:
    int x;
    int y;
    int result;
};

新线程函数

void *threadRun(void *args)
{
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args); 
    int cnt = 10;
    ThreadResult* result = new ThreadResult();
    while(cnt)
    {
        sleep(3);
        std::cout << td->name << " run...,cnt: " << cnt-- << std::endl; 
        result->result = td->Excute();
        result->x = td->x;
        result->y = td->y;
       break;
    }
    std::cout << "delete td:" << td << std::endl;
    delete td; // 释放空间
    return (void*)result;
}

主函数

int main()
{
    pthread_t tid;

    ThreadData* td = new ThreadData();
    td->name = "thread-1";
    td->x = 10;
    td->y = 20;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, td); 

    std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;
    // 等待新线程终止
    ThreadResult* result = nullptr; // 开辟了空间的！！！
    n = pthread_join(tid,(void**)&result); 
    if(n == 0)
    {
        std::cout << "main thread wait success, new thread exit code: " << result->Print() << std::endl;
    }
    return 0;
}

运行结果

问题6 : 如何创建多线程呢？

错误示范(X)

在for循环内部创建临时变量！！！

代码演示

cpp 复制代码 
const int num = 10;

void *threadrun(void *args)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(args);
    while (true)
    {
        // 打印的线程名是乱的，线程执行顺序是不确定的，
        // 且因为在名字栈区for循环内部创建，每切换一个线程，名字就会被覆盖，有问题！！！
        std::cout << name << " is running" << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}
int main()
{
    // 问题6 : 如何创建多线程呢？
    std::vector<pthread_t> tids;
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 1.有线程的id
        pthread_t tid;
        // 2.有线程的名字
        char name[128];
        snprintf(name, sizeof(name), "thread-%d", i + 1);
        pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, /*线程的名字*/ name);
    }
    // join todo
    sleep(100);
    return 0;
}

运行结果

正确示范

只需让name在堆区创建即可，并修改格式化name函数

cpp 复制代码 
// 2.有线程的名字(正确示范)
char* name  = new char[128];
snprintf(name, 128, "thread-%d", i + 1);

等待(终止)多线程

创建好新线程之后，保存每个线程的tid，遍历vector终止新线程即可！

代码演示

cpp 复制代码 
const int num = 10;

void *threadrun(void *args)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(args);
    while (true)
    {
        // 打印的线程名是乱的，线程执行顺序是不确定的，
        // 且因为在名字栈区for循环内部创建，每切换一个线程，名字就会被覆盖，有问题！！！
        std::cout << name << " is running" << std::endl;
        sleep(1);
        break;
    }
    // return nullptr;
    return args;
}
int main()
{
    // 问题6 : 如何创建多线程呢？
    std::vector<pthread_t> tids;
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 1.有线程的id
        pthread_t tid;
        // 2.有线程的名字(错误示范)
        // char name[128];
        // snprintf(name, sizeof(name), "thread-%d", i + 1);

        // 2.有线程的名字(正确示范)
        char* name  = new char[128];
        snprintf(name, 128, "thread-%d", i + 1);
        pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, /*线程的名字*/ name);

        // 3.保存所有线程的id信息
        tids.emplace_back(tid);
    }
    // join todo
    for(auto tid : tids)
    {
        void* name = nullptr;
        pthread_join(tid,&name);
        // std::cout << PrintToHex(tid) << " quit" << std::endl;
        std::cout << (const char*)name << " quit" << std::endl;
        delete (const char*)name;
    }
    // sleep(100);
    return 0;
}

tid方式打印

运行结果

线程名方式打印

运行结果

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