一、线程机制深度解析
1.1 线程的本质特征
线程作为轻量级进程，在操作系统层面具有独特的地位。从资源分配视角观察，线程完全寄生在进程空间内部，每个线程拥有独立的栈区（默认8M），而文本段、数据段和堆区则在同进程的多线程间共享。这种共享机制决定了线程间通信的高效性，同时也带来了资源竞争的风险。
1.2 线程与进程的范式对比
| 维度 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 空间独立性 | 完全独立 | 部分共享 |
| 系统开销 | 切换需映射不同物理地址 | 同一进程内切换，开销小 |
| 通信机制 | 需特殊IPC机制 | 可直接操作共享内存 |
| 安全性 | 崩溃隔离 | 单线程崩溃导致整个进程终止 |
| 调度单位 | 资源分配最小单元 | CPU调度最小单元 |
1.3 线程生命周期管理
创建接口：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);-
thread：存储线程标识符
-
attr：线程属性控制（NULL表示默认属性）
-
start_routine：线程入口函数
-
arg：传递给线程函数的参数
终止接口：
void pthread_exit(void *retval); // 主动终止回收接口：
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); // 阻塞回收1.4 线程属性控制机制
线程属性对象（pthread_attr_t）提供了精细化的线程行为控制：
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); // 初始化默认属性
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); // 销毁属性对象
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);两种关键属性状态：
-
PTHREAD_CREATE_JOINABLE（加入属性）：线程结束后需手动回收空间，可获取返回值
-
PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离属性）：线程结束后系统自动回收，无需手动干预
二、线程间通信与同步机制
2.1 共享内存通信模型
线程间通信基于进程空间共享的本质，利用全局变量、静态变量和堆区空间实现数据交换。这种机制虽然高效，但必然引入资源竞争问题。
2.2 互斥锁同步机制
互斥锁（Mutex）是解决资源竞争的核心工具，其操作遵循"申请-使用-释放"的原子化模式：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 阻塞式加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 非阻塞式尝试加锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); // 销毁锁临界区概念：加锁与解锁之间的代码区域称为临界区，该区域在同一时刻只能被一个线程执行，确保了数据操作的原子性。
2.3 死锁的形成与规避
死锁四必要条件：
-
互斥条件：资源一次只能被一个线程占用
-
不可剥夺条件：资源只能由占有者主动释放
-
请求保持条件：线程持有资源同时请求其他资源
-
循环等待条件：存在线程-资源的环形链
规避策略：
-
使用
pthread_mutex_trylock替代阻塞式加锁，配合异常处理 -
规范加锁顺序，所有线程以相同顺序申请锁资源
2.4 信号量同步机制
信号量（Semaphore）是更灵活的同步工具，通过资源计数实现线程间的执行顺序控制：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); // 初始化信号量
int sem_wait(sem_t *sem); // P操作：申请资源，资源数-1，资源为0时阻塞
int sem_post(sem_t *sem); // V操作：释放资源，资源数+1
int sem_destroy(sem_t *sem); // 销毁信号量参数解析：
-
pshared = 0：线程间共享
-
pshared ≠ 0：进程间共享
-
value：信号量初始值，代表可用资源数量
同步与异步的本质区别：
-
同步：任务间存在严格的时序逻辑关系
-
异步：任务执行流程无任何关联性
三、进程间通信机制
3.1 IPC方式全景
进程空间独立性决定了进程间通信必须借助内核提供的特殊机制：
| 通信方式 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 管道 | 最简单，单向数据流 | 父子进程通信 |
| 信号 | 异步事件通知 | 进程控制与事件响应 |
| 消息队列 | 结构化消息传递 | 复杂数据交换 |
| 共享内存 | 最高效，需同步机制 | 大数据量传输 |
| 信号灯 | 进程同步 | 资源访问控制 |
| 本地套接字 | 全双工，稳定可靠 | 复杂进程间交互 |
3.2 管道通信机制
无名管道（pipe）：
int pipe(int pipefd[2]); // 创建内核缓冲区，返回两个文件描述符
// pipefd[0] - 读端
// pipefd[1] - 写端-
仅适用于具有亲缘关系的进程（父子进程）
-
单向数据流，需两个管道实现双向通信
有名管道（FIFO）：
-
通过文件系统标识，任意进程可访问
-
遵循先入先出原则
-
支持多对多通信
四、实践应用与思考
4.1 线程控制综合练习
设计四线程协同系统，主线程动态控制工作线程的启停：
线程1：1s间隔打印"采集线程正在执行"
线程2：2s间隔打印"记录线程正在执行"
线程3：5s间隔打印"告警线程正在执行"
线程4：10s间隔打印"日志线程正在执行"
主线程：接收字符A/B/C/D控制对应线程的暂停/恢复
