Linux多任务-线程篇

一.线程

线程最直接的理解就是轻量级进程，它是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源 。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。

线程是操作系统任务调度的最小单位。

进程是操作系统资源分配的最小单位。

二.线程的创建

线程由所在进程创建，线程一定是属于某个进程的。

线程创建时，所在进程为其分配独立的栈区空间（默认8M），线程共用所在进程的堆区、数据区、文本区、内核区域。

三.进程与线程的区别

|---------|---------------------------|---------------------------------------|
| | 进程 | 线程 |
| 概念 | 操作系统资源分配的最小单位 | CPU任务调度的最小单位 |
| 效率 | 操作系统要为进程分配0-4G虚拟内存空间 | 线程创建比进程快，只需要分配栈区；线程间任务切换速度快，系统开销小 |
| 内存 | 内存消耗大，相同资源环境下，并发量比线程小 | 只需要独立的栈区空间，其他空间和进程共享 |
| 安全性 | 各进程空间独立，安全性高 | 公用空间，没有进程安全性高 |
| 通信 | 进程不能直接通信，需要使用IPC机制通信 | 线程间可以直接通信：全局变量、全局队列 |

四.线程的调度

宏观并行，微观串行，调度方式与进程一样

五.线程消亡

1.线程退出

2.回收线程资源空间

六.线程相关函数接口

pthread_create()

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,

void *(*start_routine) (void *), void *arg);

功能：创建并启动一个线程

参数：

thread ：保存线程ID的变量地址

attr ：线程属性的变量地址

NULL ：按照默认属性创建

start_routine：函数指针：指向线程执行的任务函数的指针（线程任务函数）

arg ：传递给线程任务函数的参数

返回值：

成功：0

失败：错误码（!0）

回收方式：

pthread_join()

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

功能：阻塞回收线程资源空间和状态，直到被指定的子线程执行完毕并返回 （或调用了 pthread_exit），它才会继续执行后面的代码。

参数：

thread：要回收的线程的ID

retval：保存线程状态的变量地址（接收pthread_exit()的返回值）（类似wait与exit）

NULL：表示不接收状态

返回值：

成功：0

失败：非0

注意：

使用线程相关接口时，编译和链接需要链接线程库：-lpthread/-pthread。
创建线程的主进程不能先于线程结束。

线程退出及资源回收

1.线程执行结束，return

2.线程所在进程结束（exit）

3.pthread_exit(NULL)退出线程

七.线程的非分离属性

线程的分离属性：不需要被其他线程回收的线程，称为具有分离属性的线程，将来执行结束，由操作系统回收，类似孤儿进程 。（区别在父进程/线程是否改变，前者是在创建线程时就被贴上了分离标签，线程结束操作系统自动回收；后者是父进程先于子进程结束，子进程被init（PID 1）收养，由 init 代为执行 wait。）

线程的非分离属性：可以被其他线程结束和回收的线程，称为具有非分离属性的线程，类似僵尸进程。 （由父线程/进程主动调用 pthread_join（线程）或 wait（进程），系统才会彻底清理）。所以，具有非分离属性的线程结束后，必须要被其他线程回收。

pthread_create创建的线程默认为非分离属性

pthread_detach（tid）

功能:设置tid对应的线程为分离属性的线程。

场景：

其他线程没有机会回收该线程时，可以将该线程设置为分离属性

八.线程的同步和互斥

线程间通信：全局变量、队列、pthread_create传参、条件变量

线程间互斥机制

多线程访问临界资源时，存在资源竞争问题。

临界区:访问临界资源的这段代码称为临界区

临界资源:多个线程可以同时访问的区域。如:全局变量，全局队列、文件、数据库

线程的互斥机制:让多个线程访问临界资源时，具有排他性访问的特性。

互斥机制:互斥锁，锁被占用时，线程会阻塞，让出CPU，等锁释放后被内核唤醒。

1.创建一个互斥锁对象:pthread_mutex_t

2.初始化互斥锁:pthread_mutex_init();

3.加锁:pthread_mute_lock();

4.解锁:pthread_mutex_unlock();

5.销毁互斥锁:pthread_mutex_destroy()。
cpp 复制代码
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,

const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

功能:初始化一个锁对象

参数:

mutex:要初始化的锁对象的地址

attr:锁属性的变量地址(NULL:按照默认属性创建》

返回值:

成功:0

失败:!0
其他锁：

读写锁：读共享，写独占

自旋锁：锁被占用时，线程会**"原地打转"**（忙等待，死循环不断检查锁是否被释放），CPU被它一直占着，直到拿到锁。

2.线程间同步机制

线程间同步：让多个线程在执行某部分任务时，具有一定的先后顺序

信号量：实现线程间同步方法

cpp 复制代码

1.创建信号量对象:sem_t sem;
2.初始化信号量:sem_init(&sem ,0,3);//0表示线程，3表示初始值
3.申请信号量(P操作):sem_wait(&sem);
4.释放信号量(V操作):sem_post(&sem)
5.销毁信号量:sem_destroy(&sem);

int seminit(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能:初始化一个信号量参数:

sem:信号量对象地址

pshared:

0:线程间共享使用

！0:进程间共享使用

value:信号量初始值

返回值:

成功:0

失败:！0

九.死锁

死锁:死锁指的是在多线程环境中，每个执行流(线程)都有未释放的资源，且互相请求对方未释放资源，从而导致陷入永久等待状态的情况。

现象:

现象1:忘记释放锁

现象2:重复加锁

现象3:多线程多锁，抢占锁资源不当

如:线程A获取了1锁，线程B获取了2锁，同时线程A还想获取2锁，线程B还想获取1锁

产生死锁的四个必要条件(四条全中 =死锁，破掉任意一条=解除):

(1) 互斥条件:一个资源同一时刻只能被一个任务占用(一个执行流获取锁后，其它执行流不能再获取该锁)

(2)请求与保持条件:已经拿着一部分资源不释放，同时又去申请新的资源(执行流本身使用着一把锁并不释放，还在请求别的锁)

(3)不剥夺条件:资源只能由持有者主动释放，系统/其他任务不能强行抢过来(A执行流拿着锁，其它执行流不能释放)。

(4) 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系(多个执行流拿着对方想要的锁，并且各执行流还去请求对方的锁)。

解决方法:

1.锁一定要成对出现

2.使线程的加解锁顺序一致

3.破坏环路等待条件

使用非阻塞锁，一旦线程发现请求的锁被使用，就去释放自己拥有的资源