32、Linux线程编程

松涛和鸣2025-12-17 15:03

Linux线程编程

一、线程核心理论基础

1. 线程是什么？

  • 定义：线程是进程内的执行单元，也被称为"轻量级进程"（Lightweight Process），隶属于某个进程，共享进程的资源（代码段、数据段、文件描述符等）。
  • 核心作用：实现并发执行，将耗时任务拆分到多个线程并行处理，提升程序效率（如视频渲染、网络请求并发处理）。

2. 线程的核心特征

特征 说明
资源分配 进程是系统最小资源分配单位，线程不单独分配资源（共享进程资源）
执行单位 线程是系统最小执行单位，CPU调度的基本对象
层级关系 进程内线程平级，默认存在一个"主线程"（main函数所在线程）
资源共享 线程间共享进程的全局变量、静态变量、文件描述符等，仅栈区（8MB）独立
稳定性 线程不稳定：一个线程崩溃会导致整个进程退出；进程相对稳定，互不影响
创建开销 线程创建仅需开辟独立栈区（8MB），进程创建需分配3GB虚拟地址空间，开销更大
并发度 线程并发度高于进程，同一进程内线程切换无需切换地址空间，效率更高

3. 线程与进程的核心区别

对比维度 线程（Thread） 进程（Process）
资源分配 共享所属进程资源，无独立地址空间 独立地址空间，资源独立（代码段、数据段等）
创建/切换开销 小（仅开辟栈区） 大（分配完整地址空间）
通信方式 直接访问共享变量，通信简单 需通过IPC（管道、消息队列等），通信复杂
稳定性 低（线程崩溃导致进程退出） 高（进程间相互隔离）
并发效率 高（线程切换无需地址空间切换） 低（进程切换开销大）

4. 线程编程核心流程（POSIX标准）

  1. 创建多线程 ：通过pthread_create创建子线程，指定线程执行函数；
  2. 线程任务执行：子线程在回调函数中完成具体任务（资源操作、计算等）；
  3. 线程资源回收 ：通过pthread_join（阻塞回收）或pthread_detach（自动回收）释放线程资源，避免内存泄漏。

5. 关键线程函数详解

POSIX线程函数库（libpthread）提供了线程操作的核心接口，以下是常用函数说明：

函数原型 功能描述
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg) 创建子线程 - thread：输出参数，存储新线程ID - attr：线程属性（默认NULL） - start_routine：线程回调函数（执行入口） - arg：回调函数参数 - 返回值：成功0，失败返回错误码
pthread_t pthread_self(void) 获取当前线程ID - 返回值：当前线程的ID（unsigned long类型，打印用%lu）
void pthread_exit(void *retval) 子线程主动退出 - retval：线程退出状态（返回给主线程）
int pthread_cancel(pthread_t thread) 主线程取消指定子线程 - thread：目标线程ID - 返回值：成功0，失败返回错误码
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval) 阻塞回收子线程资源 - thread：待回收线程ID - retval：接收子线程退出状态 - 返回值：成功0，失败返回错误码
int pthread_detach(pthread_t thread) 设置线程分离属性（退出后自动回收资源） - 无需主线程调用pthread_join

6. 线程查看命令

bash 复制代码 
# 查看系统所有线程（PID：进程ID，LWP：线程ID，COMM：线程名称）
ps -eLo pid,ppid,lwp,stat,comm

# 查看线程详细信息（含CPU占用、内存等）
ps -eLf

二、实战代码解析（8个核心案例）

以下结合8个实战代码，从基础到进阶，逐步掌握线程编程技巧（所有代码需链接pthread库编译：gcc 文件名.c -o 文件名 -lpthread）。

案例01：创建多线程（01pthread.c）

功能：创建2个子线程，分别执行不同任务（发视频、接收控制）
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

// 线程1回调函数：发视频
void *thread_function(void *arg)
{
    while (1) {
        printf("发视频...\n");
        sleep(1); // 每隔1秒执行一次
    }
    return NULL;
}

// 线程2回调函数：接收控制
void *thread_function2(void *arg)
{
    while (1) {
        printf("接受控制...\n");
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread_id;  // 线程1 ID
    pthread_t thread_id2; // 线程2 ID

    // 创建线程1
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    // 创建线程2
    pthread_create(&thread_id2, NULL, thread_function2, NULL);

    // 主线程阻塞（避免主线程退出导致子线程终止）
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}
关键说明：
  1. pthread_create参数：线程ID指针、默认属性（NULL）、回调函数、回调函数参数（NULL）；
  2. 主线程需保持运行（while(1)），否则主线程退出后，整个进程终止，子线程也会被销毁；
  3. 编译命令：gcc 01pthread.c -o 01pthread -lpthread；
  4. 运行结果：两个子线程交替输出"发视频..."和"接受控制..."，实现并发执行。

案例02：获取线程ID（02pthread_self.c）

功能：通过pthread_self()获取主线程和子线程的ID
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void *th1(void *arg)
{
    while (1) {
        // 打印子线程1 ID（%lu对应unsigned long类型）
        printf("发视频...tid:%lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void *th2(void *arg)
{
    while (1) {
        printf("接受控制...tid:%lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, th1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, th2, NULL);

    // 打印主线程ID
    while (1) {
        printf("main tid:%lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}
关键说明：
  1. pthread_self()无参数，返回当前线程的ID（类型为pthread_t，建议用%lu格式化输出）；
  2. 运行结果：主线程和两个子线程分别输出各自的ID，可通过ps -eLo lwp,comm验证线程是否存在。

案例03：线程退出（03pthread_exit.c）

功能：子线程通过pthread_exit()主动退出，主线程运行指定次数后退出
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void* th(void* arg){
    while (1) {
        printf("sub_th %lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL); // 子线程主动退出（此处因while(1)无法执行到，仅作演示）
}

int main(){
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);

    int i = 8;
    // 主线程运行8秒后退出
    while (i--) {
        printf("main_th %lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}
关键说明：
  1. pthread_exit(NULL)：子线程主动退出，参数为退出状态（NULL表示无返回值）；
  2. 注意：主线程退出后，子线程会被强制终止（即使子线程有while(1)）；
  3. 运行结果：主线程输出8次后退出，子线程同时终止。

案例04：取消线程（04phread_cancel.c）

功能：主线程通过pthread_cancel()取消子线程
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void *thread_func(void *arg)
{
    while (1) {
        printf("subth %lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);

    int i = 0;
    while (1) {
        printf("main th %lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
        i++;
        if (i == 2) {
            // 运行2秒后，主线程取消子线程
            pthread_cancel(tid);
            printf("子线程已取消\n");
        }
    }
    return 0;
}
关键说明：
  1. pthread_cancel(tid)：向指定子线程发送取消请求，子线程在"取消点"（如sleep、printf等系统调用）响应；
  2. 运行结果：子线程输出2次后被取消，主线程继续运行；
  3. 注意：pthread_cancel仅发送请求，若子线程无取消点（如纯计算循环），需手动调用pthread_testcancel()设置取消点。

案例05：线程资源回收（05pthread_jion.c）

功能：主线程通过pthread_join()阻塞等待子线程完成，回收资源
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

void* th(void* arg)
{
    int i = 5;
    while (i--) {
        printf("workth,%lu\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);

    // 阻塞等待子线程tid完成，回收其资源
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("子线程已结束，主线程退出\n");
    return 0;
}
关键说明：
  1. pthread_join(tid, NULL)：主线程阻塞，直到子线程tid退出，避免子线程成为"僵尸线程"（资源未回收）；
  2. 第二个参数为NULL，表示不关心子线程的退出状态；
  3. 运行结果：子线程输出5次后退出，主线程打印提示后退出。

案例06：获取线程返回值（06pthread_jionret.c）

功能：子线程动态分配内存并返回数据，主线程通过pthread_join()获取返回值并释放内存
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* th(void* arg)
{
    // 动态分配内存（子线程栈区数据不能返回，会随线程退出释放）
    char* str = (char*)malloc(20);
    strcpy(str, "我要灭亡了");
    return str; // 返回动态内存地址
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);

    void* ret = NULL;
    // 回收子线程，获取返回值（ret指向子线程分配的内存）
    pthread_join(tid, &ret);
    printf("子线程返回值：%s\n", (char*)ret);
    free(ret); // 释放子线程分配的内存，避免内存泄漏
    return 0;
}
关键说明：
  1. 子线程返回值不能是栈区变量（线程退出后栈区释放），需用malloc动态分配内存；
  2. 主线程通过pthread_join的第二个参数&ret接收返回值，使用后需手动free；
  3. 运行结果：主线程打印子线程返回的字符串"我要灭亡了"。

案例07：传递结构体参数（07.c）

功能：主线程向子线程传递结构体参数，子线程打印并返回结构体地址
c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

// 定义结构体（存储用户信息）
typedef struct
{
    char name[20];
    int age;
    char address[50];
} PER;

void* th(void* arg)
{
    // 将void*类型转换为结构体指针
    PER* p = (PER*)arg;
    printf("子线程接收的信息：\n");
    printf("name:%s\n", p->name);
    printf("age:%d\n", p->age);
    printf("address:%s\n", p->address);
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