【Linux探索学习】第二十九弹——线程概念：Linux线程的基本概念与线程控制详解
Linux学习笔记：
https://blog.ZEEKLOG.net/2301_80220607/category_12805278.html?spm=1001.2014.3001.5482
前言：
在现代操作系统中，线程是程序执行流的最小单元。与进程相比，线程更加轻量级，创建和销毁的开销更小，且线程之间可以共享内存空间，因此在多任务处理、并发编程中，线程的使用非常广泛。Linux作为一个多用户、多任务的操作系统，提供了强大的线程支持。本文将详细介绍Linux中线程的基本概念以及线程控制的相关知识，并通过代码示例帮助读者更好地理解。
目录
一、线程的基本概念
1.1 什么是线程？
线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源（如内存、文件描述符等），但每个线程拥有独立的执行栈和程序计数器。
线程其实就是我们之前所讲的进程的延申，进程实际上是可以由多个执行流组成的，这些执行流其实就叫做线程，我们之前所讲的进程实际上就是只有单执行流的特殊情况，进程实际上可以看作资源分配的实体，线程就是资源分配的基本单位
1.2 线程与进程的区别
| 特性 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 定义 | 程序的一次执行，拥有独立的内存空间 | 进程中的一个执行流，共享进程的内存空间 |
| 资源开销 | 较大，创建和销毁开销大 | 较小，创建和销毁开销小 |
| 通信方式 | 进程间通信（IPC）机制复杂 | 线程间通信简单，直接共享内存 |
| 上下文切换 | 开销大 | 开销小 |
| 独立性 | 独立，互不影响 | 依赖进程，线程间相互影响 |
1.3 线程的优点
响应性：多线程程序可以在一个线程等待I/O时，另一个线程继续执行，从而提高程序的响应性。资源共享：线程共享进程的内存空间，因此线程间的数据共享和通信更加方便。经济性：创建和销毁线程的开销比进程小，且线程切换的开销也比进程小。多核利用：多线程程序可以充分利用多核CPU的并行计算能力。
1.4 线程的缺点
同步问题：多个线程共享同一进程的资源，容易引发竞态条件等问题。调试困难：多线程程序的调试比单线程程序复杂，因为线程的执行顺序是不确定的。资源竞争：多个线程竞争同一资源时，可能导致性能下降。
这些问题我们会在后面的章节进行解决，尤其是线程的同步与互斥问题是很重要的，我们后面会进行讲解
二、Linux中的线程模型
2.1 用户级线程与内核级线程
在Linux中，线程的实现可以分为用户级线程和内核级线程。
用户级线程：由用户空间的线程库（如POSIX线程库）管理，内核并不知道这些线程的存在。用户级线程的创建、调度、同步等操作都由线程库在用户空间完成。优点是线程切换开销小，缺点是无法利用多核CPU的并行能力。内核级线程：由操作系统内核管理，内核知道每个线程的存在，并负责线程的调度。内核级线程的创建、调度、同步等操作都需要通过系统调用来完成。优点是可以利用多核CPU的并行能力，缺点是线程切换开销较大。
2.2 Linux的线程实现
Linux通过轻量级进程（Lightweight Process, LWP）来实现线程。每个线程在内核中都有一个对应的轻量级进程，这些轻量级进程共享同一地址空间和其他资源。Linux的线程库（如NPTL）提供了对POSIX线程标准的支持。我们可以理解为Linux的线程实现就是用户层的，因为Linux中并没有线程的概念，有的只是轻量级进程的概念，是通过在用户层进行封装来实现的
三、线程控制
3.1 线程的创建与终止
在Linux中，线程的创建和终止是通过POSIX线程库（pthread）来实现的。下面我们通过代码示例来讲解线程的创建与终止。
3.1.1 创建线程
在POSIX线程库中，使用pthread_create函数来创建线程。该函数的原型如下：
#include <pthread.h> int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);thread：指向线程标识符的指针。attr：用于设置线程属性，通常为NULL，表示使用默认属性。start_routine：线程函数的起始地址，线程创建后会执行该函数。arg：传递给线程函数的参数。
下面是一个简单的线程创建示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_function(void* arg) { printf("Thread is running...\n"); sleep(2); printf("Thread is exiting...\n"); return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } printf("Main thread is running...\n"); pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束 printf("Main thread is exiting...\n"); return 0; }运行结果：
在这个示例中，主线程创建了一个新线程，新线程执行thread_function函数。主线程通过pthread_join函数等待新线程结束。
3.1.2 终止线程
线程可以通过以下方式终止：
正常返回：线程函数执行完毕并返回，线程自动终止。调用pthread_exit：线程可以调用pthread_exit函数主动终止自己。被其他线程取消：其他线程可以调用pthread_cancel函数取消指定线程。
下面是一个使用pthread_exit终止线程的示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_function(void* arg) { printf("Thread is running...\n"); sleep(2); printf("Thread is exiting...\n"); pthread_exit(NULL); // 主动终止线程 } int main() { pthread_t thread_id; int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } printf("Main thread is running...\n"); pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束 printf("Main thread is exiting...\n"); return 0; }运行结果：
3.2 线程的属性
线程的属性可以通过pthread_attr_t结构体来设置。常见的线程属性包括：
线程的分离状态：线程可以是可连接的（joinable）或分离的（detached）。可连接的线程在终止后需要其他线程调用pthread_join来回收资源，而分离的线程在终止后会自动释放资源。线程的栈大小：可以设置线程的栈大小。线程的调度策略：可以设置线程的调度策略（如FIFO、轮转等）。下面是一个设置线程属性的示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_function(void* arg) { printf("Thread is running...\n"); sleep(2); printf("Thread is exiting...\n"); return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; pthread_attr_t attr; pthread_attr_init(&attr); // 初始化线程属性 pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 设置线程为分离状态 int ret = pthread_create(&thread_id, &attr, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } printf("Main thread is running...\n"); sleep(3); // 主线程等待一段时间，确保子线程执行完毕 printf("Main thread is exiting...\n"); pthread_attr_destroy(&attr); // 销毁线程属性 return 0; }运行结果：
在这个示例中，我们通过pthread_attr_setdetachstate函数将线程设置为分离状态，这样线程在终止后会自动释放资源，主线程不需要调用pthread_join来等待线程结束。
3.3 线程的取消
线程可以通过pthread_cancel函数来取消。被取消的线程会在下一个取消点（cancellation point）终止。取消点通常是某些系统调用或库函数，如sleep、read、write等。
下面是一个线程取消的示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_function(void* arg) { printf("Thread is running...\n"); while (1) { printf("Thread is working...\n"); sleep(1); } return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } sleep(3); // 主线程等待3秒 pthread_cancel(thread_id); // 取消线程 printf("Thread has been canceled.\n"); pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束 printf("Main thread is exiting...\n"); return 0; }运行结果：
在这个示例中，主线程在3秒后取消了子线程，子线程在sleep函数处被取消。
3.4 线程的清理
线程在终止时可能需要执行一些清理操作，如释放资源、关闭文件等。POSIX线程库提供了pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop函数来注册和注销清理函数。
下面是一个线程清理的示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void cleanup_function(void* arg) { printf("Cleanup function is called: %s\n", (char*)arg); } void* thread_function(void* arg) { pthread_cleanup_push(cleanup_function, "Resource 1"); pthread_cleanup_push(cleanup_function, "Resource 2"); printf("Thread is running...\n"); sleep(2); printf("Thread is exiting...\n"); pthread_cleanup_pop(1); // 执行清理函数 pthread_cleanup_pop(1); // 执行清理函数 return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束 printf("Main thread is exiting...\n"); return 0; }在这个示例中，我们使用pthread_cleanup_push注册了两个清理函数，当线程终止时，这些清理函数会被自动调用。
四、线程分离
4.1 什么是线程分离？
线程分离（Detached Thread）是指线程在终止后自动释放其资源，而不需要其他线程调用pthread_join来回收资源。分离线程通常用于不需要返回结果的场景。
4.2 设置线程为分离状态
可以通过pthread_detach函数将线程设置为分离状态。下面是一个线程分离的示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_function(void* arg) { printf("Thread is running...\n"); sleep(2); printf("Thread is exiting...\n"); return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; int ret = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } pthread_detach(thread_id); // 将线程设置为分离状态 printf("Main thread is running...\n"); sleep(3); // 主线程等待一段时间，确保子线程执行完毕 printf("Main thread is exiting...\n"); return 0; }在这个示例中，我们通过pthread_detach函数将线程设置为分离状态。分离状态的线程在终止后会自动释放资源，主线程不需要调用pthread_join来等待线程结束。
4.3 线程分离的注意事项
资源释放：分离线程在终止时会自动释放资源，因此不需要调用pthread_join来回收资源。无法获取返回值：分离线程的返回值无法被其他线程获取，因为线程终止后资源已经被释放。线程状态：一旦线程被设置为分离状态，就不能再通过pthread_join来等待线程结束。
五、线程的调度
5.1 线程的调度策略
Linux中的线程调度策略主要有以下几种：
SCHED_FIFO：先进先出调度策略，优先级高的线程会一直运行，直到它主动放弃CPU。SCHED_RR：轮转调度策略，优先级高的线程会运行一段时间（时间片），然后让出CPU给其他相同优先级的线程。SCHED_OTHER：默认的调度策略，基于时间片的动态优先级调度。
5.2 设置线程的调度策略
可以通过pthread_setschedparam函数来设置线程的调度策略和优先级。下面是一个设置线程调度策略的示例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <sched.h> #include <unistdh> void* thread_function(void* arg) { printf("Thread is running...\n"); sleep(2); printf("Thread is exiting...\n"); return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; pthread_attr_t attr; struct sched_param param; pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO); // 设置调度策略为FIFO param.sched_priority = 50; // 设置优先级 pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m); int ret = pthread_create(&thread_id, &attr, thread_function, NULL); if (ret != 0) { printf("Thread creation failed!\n"); return 1; } pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束 printf("Main thread is exiting...\n"); pthread_attr_destroy(&attr); // 销毁线程属性 return 0; }运行结果：
在这个示例中，我们通过pthread_attr_setschedpolicy函数将线程的调度策略设置为SCHED_FIFO，并通过pthread_attr_setschedparam函数设置了线程的优先级。
五、总结
本文详细介绍了Linux中线程的基本概念和线程控制的相关知识，包括线程的创建与终止、线程属性、线程的取消与清理、线程的调度等内容。通过代码示例，读者可以更好地理解这些概念，并在实际编程中应用这些知识。
有关线程的一些基本概念我们可以通过下面的图片自行查看一下，比如线程与进程之间的地址空间分配问题，线程所拥有的独立的栈区是怎么一回事等
感谢各位大佬观看，创作不易，还请各位大佬点赞支持！！！
