【Linux/C++多线程篇(一) 】多线程编程入门：从核心概念到常用函数详解
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前言：为什么需要多线程？
想象一下，你现在是一个厨师，需要同时做三件事：切菜、煮汤、接电话。如果你只能一件一件地做，顾客会等得不耐烦，汤可能煮干，电话也可能被挂断。在计算机世界里，程序也常常需要同时处理多个任务——比如一边响应用户操作，一边下载文件，一边更新界面。其也是为了实现多任务并发执行的问题的，能够实现多个阻塞任务同时执行
多线程就是让一个程序拥有多个执行流，可以“同时”做多件事。这里的“同时”有两种含义：
- 并发：指系统能够同时处理多个任务的能力。在单核 CPU 上，通过时间片轮转，宏观上看起来是“同时”运行，微观上是“交替”执行。
- 并行：指多个任务在同一时刻真正同时运行。这需要多核 CPU 支持，每个核跑一个线程。
多线程的核心价值在于提高程序的响应性、资源利用率和吞吐量。
多线程基础概念
一、进程与线程的区别
- 进程：是资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间、文件描述符、堆栈等。进程间切换开销大。
- 线程：是CPU调度的基本单位，隶属于进程，共享进程的地址空间和大部分资源，拥有独立的栈和寄存器上下文。线程间切换开销小，通信方便。
二、进程与线程的关系
- 多线程（LWP轻量版进程）：线程是粒度更小的任务执行单元
- 进程是资源分配的基本单位，而线程是任务器进行任务调度的最小单位
- 一个进程可以拥有多个线程，同一个进程中的多个线程共享进程的资源，而由于线程是共用进程的资源，所以对于线程的切换而言，开销较小，但多个线程使用的是同一个进程的资源，那么就会导致每个进程使用资源时，产生资源抢占问题，没有多进程安全
- 每个进程至少有一个线程：主线程
- 只要有一个线程中退出了进程，那么所有的线程也就结束了，主线程结束后，整个进程也就结束了。
- 多个线程执行顺序：没有先后顺序，按时间片轮询，上下文切换，抢占CPU的方式进行
三、多线程的优缺点
📖 优点
- 响应性：即使一个线程阻塞（如等待I/O），其他线程仍可运行。
- 资源共享：线程间共享内存，无需复杂IPC。
- 经济性：创建线程比创建进程开销小得多。
- 可扩展性：可充分利用多核CPU。
📖 缺点
- CPU 调度：操作系统内核负责线程调度，上下文切换需要保存/恢复寄存器、更新内存管理结构，这些都需要时间。如果线程数远大于 CPU 核心数，切换开销会占据大量 CPU 时间。
- 开发复杂度大大增加：多线程引入了竞态条件、死锁等并发问题，这些错误往往难以复现和调试。比如我们曾遇到一个死锁问题，只在生产环境高并发时出现，用 gdb 无法重现，最后靠分析 core dump 和代码走查才定位到。
多线程编程
我们先讲C语言的多线程编程，至于C++的线程支持库我们后面也会讲。
再讲之前多提一嘴，由于C库没有提供有关多线程的相关操作，对于多线程编程要依赖于第三方库——头文件：#include<pthread.h>，且编译时：需要加上 -lpthread 选项，链接上对于的线程支持库
一、创建线程：pthread_create
| 函数原型 | int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void * (*start_routine) (void *), void *arg); |
| 头文件 | pthread.h |
| 功能 | 创建一个分支线程 |
| 参数说明 | 参数1：线程号，通过参数返回，用法：在外部定义一个该类型的变量，将地址传递入函数，调用结束后，该变量中即是线程号 参数2：线程属性，一般填NULL，让系统使用默认属性创建一个线程 参数3：是一个回调函数，一个函数指针，需要向该参数中传递一个函数名，作为线程体执行函数该函数由用户自己定义，参数是void*类型，返回值也是void *类型 参数4： 是参数3的参数，如果不想向线程体内传递数据，填NULL即可 |
| 返回值 | 成功返回0，失败返回一个错误码（非linux内核的错误码，是线程支持库中定义的一个错误码） |
我们现在来实践一下此处的创建线程函数，其中我们线程体传递参数不同数目写法也不一样，现在我们来看看：
📖 向线程体中传递单个数据
注意：我们传过来的参数必须要进行强转，当然此处若不想添加参数，就直接填NULL即可，但线程体中的 void* arg 仍需要填写
#include<iostream> #include<cstdio> #include<cstring> #include <unistd.h> #include <pthread.h> using namespace std; //定义线程体函数 void *task(void *arg){ //arg --> &num 但是arg是一个void*类型的变量，需要转换为具体指针进行操作 //(int*)arg --->将其转换为整型的指针 //*(int *)arg --->num的值 int key = *(int*)arg; printf("我是分支线程：num = %d\n", key); //1314 } /**************主程序********************************/ int main(int argc, const char *argv[]){ pthread_t tid = -1; //用于存储线程号的变量 int num = 520; if(pthread_create(&tid, NULL, task, &num) != 0){ //参数2：表示让系统使用默认属性创建一个线程 //参数3：线程体函数名 //参数4：表示向线程体中传递的数据 printf("tid create error\n"); return -1; } printf("pthread_create success,tid = %#lx\n", tid); printf("我是主线程\n"); num = 1314; //主线程中更改数据 printf("主线程中num = %d\n", num); while(1); return 0; }📖 向线程体中传入多个数据
可以看到，此处我们若想传递多个数据就必须用到结构体，不能用逗号隔开一个一个传
#include<iostream> #include<cstdio> #include<cstring> #include <unistd.h> #include <pthread.h> using namespace std; //定义信息结构体，用于向线程体传递数据 struct Info{ int num; char name[20]; double score; }; //定义线程体函数 void *task(void *arg){ Info buf = *((Info*)arg); //将结构体指针转换为结构体变量 printf("分支线程中：num = %d, name = %s, score = %.2lf\n", buf.num, buf.name, buf.score); } /**************主程序********************************/ int main(int argc, const char *argv[]) { pthread_t tid = -1; //用于存储线程号的变量 int num = 520; char name[20] = "zhangsan"; double score = 99.5; //需求：将上面的三个数据全部传入线程体中 Info buf = {num, "zhangsan", score}; if(pthread_create(&tid, NULL, task, &buf) != 0){ //参数2：表示让系统使用默认属性创建一个线程 //参数3：线程体函数名 //参数4：表示向线程体中传递的数据 printf("tid create error\n"); return -1; } printf("pthread_create success,tid = %#lx\n", tid); printf("我是主线程\n"); while(1); return 0; }二、线程号的获取：pthread_self
| 函数原型 | pthread_t pthread_self(void); |
| 头文件 | pthread.h |
| 功能 | 获取当前线程的线程号 |
| 参数说明 | 无 |
| 返回值 | 返回调用线程的id号，不会失败 |
三、线程的退出函数：pthread_exit
| 函数原型 | void pthread_exit(void *retval); |
| 头文件 | pthread.h |
| 功能 | 退出当前线程 |
| 参数说明 | 表示退出时的状态，一般填NULL |
| 返回值 | 无 |
四、线程的资源回收：pthread_join
| 函数原型 | int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); |
| 头文件 | pthread.h |
| 功能 | 阻塞回收指定线程的资源 |
| 参数说明 | 参数1：要回收的线程线程号 参数2：线程退出时的状态，一般填NULL |
| 返回值 | 成功返回0，失败返回一个错误码 |
五、线程分离态：pthread_detach
| 函数原型 | int pthread_detach(pthread_t thread); |
| 头文件 | pthread.h |
| 功能 | 将指定线程设置成分离态，被设置成分离态的线程，退出后，资源由系统自动回收 |
| 参数说明 | 要分离的线程号 |
| 返回值 | 成功返回0，失败返回一个错误码 |
我们不妨更直观的看看四和五的区别：
#include<iostream> #include<cstdio> #include<cstring> #include <unistd.h> #include <pthread.h> //定义线程体函数 void *task(void *arg) { printf("分支线程,tid = %#x\n", pthread_self()); //2、调用函数，输出当前线程的线程号 sleep(3); //3、退出线程 pthread_exit(NULL); } /**********************主程序****************************/ int main() { //1、定义一个线程号变量 pthread_t tid = -1; //创建一个线程 if(pthread_create(&tid, NULL, task, NULL) != 0) { printf("pthread_create error\n"); return -1; } printf("主线程,tid = %#x\n", tid); //4、回收分支线程的资源 //pthread_join(tid, NULL); //前3秒，主线程处于休眠等待分支线程的结束 //分支线程处于休眠状态 //将线程设置成分离态(非阻塞) pthread_detach(tid); sleep(5); // while(1); //防止主线程结束 std::cout << "Hello, World!" << std::endl; return 0; }📖 小问题
那我相信肯定也会有人发现，那分离进程如果没运行完，主程序退出后，那么此时分离进程会被回收吗？
答案是：会的，但是线程不会有机会执行自己的清理代码。也就是不会自动"回收分离进程"，而是整个进程会被强制终止，所有线程（包括分离线程）都会被立即杀死。
- 主线程退出（从main返回或调用exit()） -> 整个进程终止，所有线程（包括分离线程）立即停止，资源由操作系统回收，但不会执行线程的清理代码。
- 主线程调用pthread_exit() -> 主线程终止，但进程继续运行，直到所有线程（包括分离线程）结束。这样分离线程可以正常完成并执行清理代码。
所以面对这种情况，我们有两种解决方式：
方法1：使用 pthread_exit()
int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid, NULL, worker, NULL); pthread_detach(tid); // 只退出主线程，不终止进程 pthread_exit(NULL); // 进程继续，分离线程可以运行完成 // 这里不会执行 return 0; }方法2：让主线程等待（但不阻塞）
int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid, NULL, worker, NULL); pthread_detach(tid); // 主线程做自己的事，但最后等待一下 // 比如用条件变量或简单的sleep sleep(10); // 等待worker线程大概完成 return 0; }六、多线程编程的小练习
我们现在使用多线程完成两个文件的拷贝，线程1拷贝前一半内容，线程2拷贝后一半内容，主线程用于回收两个分支线程的资源
#include<iostream> #include<cstdio> #include<cstring> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <sys/wait.h> #include<pthread.h> //定义要向线程体函数中出入数据的结构体类型 struct Info { const char *srcfile; //要拷贝的原文件 const char *destfile; //目标文件 int start; //起始位置 int len; //要拷贝的长度 }; //定义获取文件长度的函数 int get_file_len(const char *srcfile, const char *destfile) { //定义两个文件描述符，分别作为源文件和目标文件的句柄 int sfd, dfd; //以只读的形式打开源文件 if((sfd = open(srcfile, O_RDONLY)) == -1) { perror("open srcfile error"); return -1; } //以只写的形式打开目标文件 if((dfd = open(destfile, O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664)) == -1) { perror("open destfile error"); return -1; } //获取源文件的长度 int len = lseek(sfd, 0, SEEK_END); //关闭文件 close(sfd); close(dfd); return len; } //定义线程体函数 void *task(void *arg) { //将传入的数据解析出来 const char *srcfile = ((struct Info*)arg)->srcfile; const char *destfile = ((struct Info*)arg)->destfile; int start = ((struct Info*)arg)->start; int len = ((struct Info*)arg)->len; //准备拷贝工作 //定义两个文件描述符，分别作为源文件和目标文件的句柄 int sfd, dfd; //以只读的形式打开源文件 if((sfd = open(srcfile, O_RDONLY)) == -1) { perror("open srcfile error"); return NULL; } //以只写的形式打开目标文件 if((dfd = open(destfile, O_RDWR)) == -1) { perror("open destfile error"); return NULL; } //偏移指针 lseek(sfd, start, SEEK_SET); lseek(dfd, start, SEEK_SET); //拷贝工作 int ret = 0; //记录每次读取的数据 int count = 0; //记录拷贝的总个数 char buf[128] = ""; //数据搬运工 while(1) { ret = read(sfd, buf, sizeof(buf)); //将读取的数据放入到count中 count += ret; if(count >= len) { //说明该部分的内容拷贝结束，还剩最后一次 write(dfd, buf, ret - (count-len)); break; } //其余的正常拷贝 write(dfd, buf, ret); } //关闭文件描述符 close(dfd); close(sfd); } int main(int argc, const char *argv[]) { //判断传入的文件个数是否正确 if(argc != 3) { printf("input file error\n"); printf("usage:./a.out srcfile destfile\n"); return -1; } //获取原文件的长度,顺便将目标文件创建出来 int len = get_file_len(argv[1], argv[2]); //创建两个线程 pthread_t tid1, tid2; //定义向线程体函数传参的变量 struct Info buf[2] = {{argv[1], argv[2], 0, len/2}, \ {argv[1], argv[2], len/2, len-len/2}}; if(pthread_create(&tid1, NULL, task, &buf[0]) != 0) { printf("线程创建失败\n"); return -1; } if(pthread_create(&tid2, NULL, task, &buf[1]) != 0) { printf("线程创建失败\n"); return -1; } //主线程中完成对两个分支线程资源的回收 pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); printf("拷贝成功\n"); return 0; }结语
文介绍了多线程的基础概念和各种函数的基本用法。但这只是冰山一角，真正的挑战在于后续的线程同步（Mutex, Condition Variable）、原子操作（Atomic）以及无锁编程。
在下一篇博客中，我们将深入探讨如何解决竞态条件，揭开互斥锁与同步机制的神秘面纱。
我是YYYing，后面还有更精彩的内容，希望各位能多多关注支持一下主包。
无限进步，我们下次再见！
---⭐️封面自取⭐️---
