Linux系统编程之多线程

概述

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运行单位。一个线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

相比于进程，线程是轻量级的实体，它们共享进程的资源（比如：内存地址空间等），因此创建和销毁线程的成本较低。因为线程共享相同的地址空间，所以它们之间的通信非常高效，不需要像进程间通信那样通过复杂的机制。

多线程的优势

多线程编程在现代计算环境中提供了显著的优势，尤其是在充分利用硬件资源、提高程序响应性和简化复杂任务处理方面。多线程的优势主要包括如下几点。

1、提高响应性。在一个多线程的应用中，即使一个线程正在等待I/O操作完成，其他线程仍然可以继续运行，从而保持应用程序的响应性。

2、充分利用CPU资源。现代计算机通常配备多个CPU核心。多线程允许一个应用程序同时在多个核心上运行不同的线程，从而充分利用硬件资源。比如：在视频编码软件中，每个帧的编码可以分配给不同的线程，以加速整个编码过程。

3、简化编程模型。对于一些复杂的问题（比如：矩阵运算或图像处理），可以将大任务分解为许多小任务，并分配给多个线程并行处理。这不仅提高了效率，还使得代码更易于理解和维护。

多线程的创建

在Linux中，创建多线程通常使用POSIX线程库pthreads。它是POSIX标准的一部分，旨在提供一个跨平台的多线程编程接口。

pthread_create函数用于创建一个新的线程，并允许我们指定新线程的属性、起始执行点以及传递给该执行点的参数。其函数原型如下。

cpp 复制代码

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

各个参数和返回值的含义如下。

thread：用于存储新创建线程的标识符。

attr：用于设置新线程的属性，如栈大小、调度策略等。如果不需要特别配置线程属性，可以传递NULL使用默认属性。

start_routine：新线程开始执行时，调用的函数地址。这是一个函数指针，指向一个接受void*参数并返回void*的函数。这个函数是新线程的入口点，相当于主线程中的main函数。

arg：传递给start_routine函数的参数。它是一个通用指针类型，因此可以传递任何类型的单个参数。如果不需要传递参数，可以传递NULL。

返回值：0表示线程创建成功，其他值表示发生了错误。

多线程的等待

在Linux中，pthread_join函数用于等待指定的线程终止。它允许主线程或另一个线程暂停执行，直到目标线程完成其任务。这有助于确保线程间的正确同步，并且可以用来获取线程退出时的状态信息。其函数原型如下。

cpp 复制代码

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

各个参数和返回值的含义如下。

thread：目标线程的标识符，这是我们想要等待的线程。该参数必须是一个有效的、尚未被pthread_join等待过的线程ID。尝试对同一个线程多次调用pthread_join，或者对无效线程调用，会导致未定义行为。

retval：指向指针的指针，用于接收目标线程退出时返回的值。如果不关心线程的返回值，可以传递NULL。

返回值：0表示线程创建成功，其他值表示发生了错误。

实战代码

在下面的实战代码中，我们使用pthread_create和pthread_join来管理线程的生命周期，确保了主线程能够正确地与子线程同步，并且可以从子线程获取执行结果。

首先，我们定义了一个名为PrintMessage的函数作为新线程的入口点。该函数接收一个指向字符数组的指针作为参数，用于传递消息内容。

在函数内部，我们通过pthread_self获取并打印当前线程的ID，然后输出传入的消息字符串。接着，我们调用pthread_exit并传递一个字符串指针作为返回值，表示子线程已完成。

在main函数中，我们通过pthread_create函数创建子线程。如果创建失败，则输出错误信息并退出程序。创建成功后，主线程调用pthread_join等待子线程结束，并通过传递的指针pStatus获取子线程退出时的状态信息。最后，主线程打印出子线程的返回状态，并输出一条表示自身即将结束的消息。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <pthread.h>

using namespace std;

// 线程执行函数
void* PrintMessage(void* ptr)
{
    char* pMsg = (char*)ptr;
    cout << "Thread ID: " << pthread_self() << endl;
    cout << "Message: " << pMsg << endl;
    // 返回一个字符串作为状态
    pthread_exit((void*)"Sub thread completed");
}

int main()
{
    pthread_t thread;
    const char* pMsg = "Hello from main thread";
   
    // 创建线程
    if (pthread_create(&thread, NULL, PrintMessage, (void*)pMsg))
    {
        cout << "Create thread failed" << endl;
        return 1;
    }

    void* pStatus = NULL;
    // 等待线程结束，并获取返回状态
    if (pthread_join(thread, &pStatus))
    {
        cout << "Join thread failed" << endl;
        return 2;
    }

    cout << "Sub thread returned: " << (char*)pStatus << endl;
    cout << "Main thread exit" << endl;
    return 0;
}