线程知识点

佳児素花痴╮2026-10-09 17:37

1.概念

轻量级的进程

同一个进程中创建多个线程共享进程地址空间，引入线程可以提高系统的性能

2.进程和线程区别

共同点：都为系统提供并发执行的能力

不同点：

资源和调度：进程是系统资源分配的最小单位，线程是资源调度的最小单位

地址空间：每个进程都有独立的地址空间；同一个进程中的多个线程共享进程地址空间

通信方面：多线程的通信比较简单，借助全局变量，但是需要考虑临界资源的访问问题；多进程的通信比较复杂，需要借助3-4g的内核空间(共享的)来完成通信

安全性方面：进程相对比较安全(空间独立，一个进程退出不会影响其他进程)，线程安全性相对较低，进程退出其中的线程会随之结束

3.函数

3.1. 线程创建

#include <pthread.h>

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

功能：创建线程

参数：thread：线程标识 (线程ID)

attr：线程属性， NULL：代表设置默认属性

start_routine：函数名：代表线程函数

arg：用来给前面函数传参

返回值：成功：0

失败：错误码

编译的时候需要加 -lpthread 链接动态库

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 子线程
void *handler(void *arg)
{
    printf("in the thread\n");
    printf("%s\n", (char *)arg);

    while(1);

    return NULL;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t pid;
    // 如果不想给线程函数传参，我们在第四个参数位置写NULL即可
    if(pthread_create(&pid, NULL, handler, "hello") != 0)
    {
        perror("pthread_create err");
        return -1;
    }

    // 主线程
    printf("in the main\n");

    // 防止创建完成线程之后直接结束
    while(1);
    return 0;
}

3 .2. 退出线程

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

功能：用于退出线程的执行

参数：retval:线程退出时返回的值

3 .3. 回收线程资源

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>

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

功能：用于等待一个指定的线程结束，阻塞函数

参数：thread：创建的线程对象，线程ID

retval：指针*value_ptr指向线程返回的参数，一般为NULL

返回值：成功：0

失败：errno





int pthread_detach(pthread_t thread);

功能：让线程结束时自动回收线程资源,让线程和主线程分离,非阻塞函数

参数：thread：线程ID

非阻塞式的，例如主线程分离(detach)了线程T2，那么主线程不会阻塞在pthread_detach()，pthread_detach()会直接返回，线程T2终止后会被操作系统自动回收资
cpp 复制代码 
int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t pid;
    if(pthread_create(&pid, NULL, handler, "hello") != 0)
    {
        perror("pthread_create err");
        return -1;
    }

    // pthread_join(pid, NULL);  // 会阻塞等待指定线程退出回收资源
    pthread_detach(pid);  // 非阻塞，结束时自动回收资源

    printf("in the main\n");

    while(1);
    return 0;
}

练习：输入输出，quit结束

通过线程实现数据的交互，主线程循环从终端输入，线程函数将数据循环输出，当输入quit结束程序。

  1. 全局变量
  2. 加上标志位(flag)，实现主线程输入一次修改标志位，从线程打印一次也修改标志位， int flag=0;
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

int flag = 0;
char buf[32] = {0};

void *in(void *arg)
{
    while(1)
    {
        fgets(buf, 32, stdin);
        flag = 1;
        if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')
            buf[strlen(buf)-1] = '\0';
        if(!strcmp(buf, "quit"))
            break;
    }
    return NULL;
}

void *out(void *arg)
{
    while(1)
    {
        if(flag == 1)
        {
            if(!strcmp(buf, "quit"))
                break;
            printf("%s\n", buf);
            flag = 0;
        }
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pthread_t pid1, pid2;
    if(pthread_create(&pid1, NULL, in, NULL) != 0)
    {
        perror("pthread1 err:");
        return -1;
    }
    if(pthread_create(&pid2, NULL, out, NULL) != 0)
    {
        perror("pthread2 err:");
        return -1;
    }

    pthread_join(pid1, NULL);
    pthread_join(pid2, NULL);
    return 0;
}

4.线程同步

4 .1. 概念：

多个线程(任务)按照约定的顺序相互配合完成一件事情

4 .2. 同步机制：

通过信号量实现线程同步

信号量：通过信号量实现同步操作； 由信号量来决定线程继续运行还是阻塞等待。

信号量：代表一类资源，其值可以表示系统中该资源的数量。

信号量的值>0： 表示有资源可以用，可以申请到资源。

信号量的值<=0: 表示没有资源可以用，无法申请到资源，阻塞。

信号量：还是受保护的变量，只能通过三种操作来访问：初始化，P操作(申请资源)，V操作（释放资源）

sem_init：信号量初始化

sem_wait：申请资源，P操作，如果没有资源可用则阻塞，否则就申请到资源 -1

sem_post：释放资源，V操作，非阻塞，+1

cpp 复制代码 
#include <semaphore.h>
int  sem_init(sem_t *sem,  int pshared,  unsigned int value)  
功能：初始化信号量   
参数：sem：初始化的信号量对象
    pshared：信号量共享的范围(0: 线程间使用   非0:1进程间使用)
    value：信号量初值
返回值：成功 0
       失败 -1

int  sem_wait(sem_t *sem)  
功能：申请资源  P操作 
参数：sem：信号量对象
返回值：成功 0
       失败 -1
注：此函数执行过程，当信号量的值大于0时，表示有资源可以用，则继续执行，同时对信号量减1；当信号量的值等于0时，表示没有资源可以使用，函数阻塞

int  sem_post(sem_t *sem)   
功能：释放资源  V操作      
参数：sem：信号量对象
返回值：成功 0
      失败 -1
注：释放一次信号量的值加1，函数不阻塞
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    sem_t sem;
    if (sem_init(&sem, 0, 1) < 0)
    {
        perror("sem init err");
        return -1;
    }

    // 申请资源　　--->  p操作
    sem_wait(&sem);
    printf("hello\n");

    // 释放资源　　---> v操作
    sem_post(&sem);

    sem_wait(&sem);
    printf("world\n");
    return 0;
}

练习：通过信号量实现线程同步：主线程循环从终端输入字符串，子线程循环将字符串打印至终端，当输入"quit"时结束

5.线程互斥

5.1. 互斥概念

多个线程访问临界资源时，同一时间只能一个线程访问

临界资源：多个线程共同访问的数据，且一次仅允许一个线程所使用的资源

通过互斥锁可以实现互斥机制，主要用来保护临界资源，每个临界资源都由一个互斥锁来保护，线程必须先获得互斥锁才能访问临界资源，访问完资源后释放该锁。如果无法获得锁，线程会阻塞直到获得锁为止。

互斥锁的操作方式：初始化

申请锁(上锁) ：阻塞

当申请不到锁时(表示：锁被其它线程占用)，是阻塞的

释放锁(解锁) ：非阻塞

注意：上锁和解锁需要成对存在

5.2. 函数接口

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t  *mutex, pthread_mutexattr_t *attr)
功能：初始化互斥锁  
参数：mutex：互斥锁
    attr:  互斥锁属性  //  NULL表示缺省属性
返回值：成功 0
      失败 -1

int  pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)   
功能：申请互斥锁     
参数：mutex：互斥锁
返回值：成功 0
      失败 -1
注：和pthread_mutex_trylock区别：pthread_mutex_lock是阻塞的；pthread_mutex_trylock不阻塞，如果申请不到锁会立刻返回

int  pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)   
功能：释放互斥锁     
参数：mutex：互斥锁
返回值：成功 0
      失败 -1

int  pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t  *mutex)  
功能：销毁互斥锁     
参数：mutex：互斥锁

案例：两个线程，一个线程倒置全局数组中的数，另一个线程遍历数组中数据,每隔1s打印一次。 int a10 = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};


编译：gcc lock.c -lpthread

(线程的调度是随机的，所以会出现相同情况会多次打印)

补充：死锁

是指两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

死锁产生的四个必要条件

1、互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用

2、不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放。

3、请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。

  1. 循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。

注意：当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。

补充：同步可以实现互斥操作，互斥无法实现同步操作

6.条件变量

一般和互斥锁搭配使用，来实现同步机制：

条件变量(cond)用于在线程之间传递信号，以便某些线程可以等待某些条件发生。当某些条件发生时，条件变量会发出信号，使等待该条件的线程可以恢复执行。

6.1. 步骤

pthread_cond_init：初始化

pthread_cond_wait：阻塞等待条件产生，没有条件产生时阻塞，同时解锁，当条件变量产生时结束阻塞，再次上锁

pthread_mutex_lock(); // 上锁

pthread_cond_wait(cond, lock); //如果没有条件产生时，解锁，当等待到条件产生时，上锁

pthread_cond_signal：产生条件，不阻塞

pthread_cond_wait先执行，pthread_cond_signal再产生条件

注意：必须保证让pthread_cond_wait先执行pthread_cond_sginal再产生条件。

6.2. 函数接口

cpp 复制代码 
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,  const pthread_condattr_t * attr);
功能：初始化条件变量
参数：cond：是一个指向结构pthread_cond_t的指针
    restrict attr：是一个指向结构pthread_condattr_t的指针，一般设为NULL
返回值：成功：0 失败：非0

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * cond,    pthread_mutex_t restrict *mutex);
功能：等待条件的产生
参数：restrict cond：要等待的条件
     restrict mutex：对应的锁
返回值：成功：0，失败：不为
                    
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
功能：产生条件变量
参数：cond：条件变量值
返回值：成功：0，失败：非0

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
功能：将条件变量销毁
参数：cond：条件变量值
返回值：成功：0， 失败：非0
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