8.2 多线程开发

来源：互联网发布：阿里云出售域名编辑：程序博客网时间：2024/05/21 01:44

8.2.1 线程的概念

线程是一种轻量级的进程。与进程最大的不同是线程没有系统资源。线程是操作系统调度的最小单位，可以理解为一个进程是由一个或者多个线程组成的。在操作系统内核中，是按照线程作为调度单位来调度资源的。在一个进程内部，多个线程之间的资源是共享的。也就是说，如果一个进程内部的所有线程拥有相同的代码地址空间和数据空间，则任意一个线程都可以访问其他线程的数据。

8.2.2 进程和线程对比

进程和线程有许多相似之处，但是也有许多不同：

q 资源分配不同。从线程和进程的定义可以看出，进程拥有独立的内存和系统资源，而在一个进程内部，线程之间的资源是共享的，系统不会为线程分配系统资源。

q 工作效率不同。进程拥有系统资源，在进程切换的时候，操作系统需要保留进程占用的资源；而线程的切换不需要保留系统资源，切换效率远高于进程。线程较高的切换效率提高了数据处理的并发能力。

q 执行方式不同。线程有程序运行的入口地址，但是线程不能独立运行。由于线程不占有系统资源，所以线程必须存放在进程中。进程可以被操作系统直接调度。在一个进程内部的多个线程可以共享资源和调度，不同进程之间的线程资源是不能直接共享的。进程可以被认为是线程的集合。

图8-4展示了进程和线程的对比，进程1和进程2拥有各自独立的代码、静态数据、堆栈和寄存器等资源，进程之间是相互独立的。线程不具备自己独立的资源，仅具备必要的堆栈和寄存器、从逻辑上看，线程是进程内部的一个实体，在一个进程内，各线程共享代码和数据。

存储器

图8-4 进程和线程对比

8.2.3 创建线程

Linux系统开发多线程程序大多使用pthread库，pthread库是符合POSIX线程标准的一个应用库，提供了线程的管理和操作方法。pthread库对线程操作的函数基本都以pthread开头，创建线程的函数定义如下：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *restrict thread,

const pthread_attr_t *restrict attr,

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

使用pthread库需要包含pthread.h头文件。函数第一个参数中restrict是C99标准增加的一个关键字，作用是限制指针。使用restrict关键字修饰的指针所指向的数据是唯一的。换句话说，使用restrict关键字修饰一个指针后，指针所指向的数据仅能被该指针所用，其他的指针无法再使用这块数据。

pthread_create()函数的参数thread返回创建线程的ID。参数attr是一个pthread_attr_t类型的结构，用来设置线程的属性，如果没有特殊的要求，置为NULL即可；参数start_routine是一个函数指针，指向了一个函数，这个函数就是线程要运行的代码；arg参数是start_rouine指向的函数传入的参数，当执行用户的线程函数时，会把arg带的参数传入。如果创建线程成功则返回0，如果失败则返回错误号。实例8-8给出了一个创建线程的代码。

实例8-8 使用pthread库创建线程

1 #include <pthread.h>

2 #include <stdio.h>

3 #include <stdlib.h>

5 void* thread_func(void *arg) // 线程函数

6 {

7 int *val = arg;

8 printf("Hi, I'm a thread!/n");

9 if (NULL!=arg) // 如果参数不为空，打印参数内容

10 printf("argument set: %d/n", *val);

11 }

13 int main()

14 {

15 pthread_t tid; // 线程ID

16 int t_arg = 100; // 给线程传入的参数值

18 if (pthread_create(&tid, NULL, thread_func, &t_arg)) // 创建线程

19 perror("Fail to create thread");

21 sleep(1); // 睡眠1秒，等待线程执行

22 printf("Main thread!/n");

24 return 0;

25 }

在程序第15行中定义了pthread_t类型的变量tid用来保存创建成功的线程ID，程序第5行定义了一个线程函数，新创建的线程会执行线程函数内部的代码。程序第18行使用pthead_create()函数创建一个线程，并且给线程传递一个参数。在程序的第9行，也就是线程函数内部，会检查线程参数是否存在，如果存在，会打印参数的内容。第21行使用sleep()函数让主线程暂停一下，等待新创建线程结束，这样做是因为如果不等待，有可能由于主线程运行速度过快，在其他线程结束之前结束，导致整个程序退出。程序的输出结果如下：

Hi, I'm a thread!

argument set: 100

Main thread!

读者在编译这个程序的时候，使用gcc t_create.c可能会报错，报错信息如下：

/tmp/ccC8EJ0O.o(.text+0x6d): In function `main':

t_create.c: undefined reference to `pthread_create'

collect2: ld 返回 1

这是因为，pthread库不是Linux的标准库，需要给编译器制定连接的库，使用gcc t_create.c –lpthread命令，编译器会寻找libpthread.a静态库文件，并且连接到用户代码。

8.2.4 取消线程

线程的退出有几种条件，当线程本身的代码运行结束后，会自动退出；或者线程代码中调用return也会导致线程退出；还有一种情况是通过其他的线程把一个线程退出，pthread库提供了pthread_cancel()函数用来取消一个线程的执行。函数定义如下：

#include <pthread.h>

int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数thread是要取消的线程ID，取消成功函数返回0，失败返回出错代码。下面的实例8-9演示了使用pthread_cancel()函数取消一个线程。

实例8-9 取消线程实例

1 #include <pthread.h>

2 #include <stdio.h>

3 #include <stdlib.h>

5 void* thread_func(void *arg) // 线程函数

6 {

7 int *val = arg;

8 printf("Hi, I'm a thread!/n");

9 if (NULL!=arg) { // 如果参数不为空，打印参数内容

10 while(1)

11 printf("argument set: %d/n", *val);

12 }

13 }

15 int main()

16 {

17 pthread_t tid; // 线程ID

18 int t_arg = 100; // 给线程传入的参数值

20 if (pthread_create(&tid, NULL, thread_func, &t_arg)) // 创建线程

21 perror("Fail to create thread");

23 sleep(1); // 睡眠1秒，等待线程执行

24 printf("Main thread!/n");

25 pthread_cancel(tid); // 取消线程

27 return 0;

28 }

程序在函数thread_func()内，对参数判断成功后加入了一个死循环，程序的第10行和第11行会不断打印出参数的值，程序第25行增加了取消线程的操作，程序运行结果如下：

Hi, I'm a thread!

argument set: 100

{打印若干次参数值}

Main thread!

程序创建线程后，会不断打印线程收到的参数。主线程在等待1秒后，调用pthread_cancel()函数取消了线程，之后主线程也运行结束，程序退出。

8.2.5 等待线程

在线程操作实例中，主线程使用sleep()函数暂停自己的运行，等待新创建的线程结束。使用延迟函数的方法在简单的程序中还能对付，但是复杂一点的程序就不好用了。由于线程的运行时间不确定，导致程序的运行结果无法预测。pthread库提供了一种等待其他线程结束的方法，使用pthread_join()函数等待一个线程结束，函数定义如下：

#include <pthread.h>

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

参数thread是要等待线程的ID，参数value_ptr指向的是退出线程的返回值。如果被等待线程成功返回，函数返回0，其他情况返回出错代码。

8.2.6 使用pthread库线程操作实例

本节最后给出一个多线程操作实例，在主程序中创建两个线程mid_thread和term_thread，mid线程不断等待term线程终止它，并且每隔2秒打印一次等待的次数。term接收从主函数传进来的mid线程的ID。如果线程ID合法，就调用pthread_cancel()函数结束mid线程。程序代码如下：

实例8-10 pthread库线程操作实例

1 // pthread_demo.c

2 #include <pthread.h>

3 #include <unistd.h>

4 #include <stdio.h>

5 #include <stdlib.h>

7 void* mid_thread(void *arg); // mid线程声明

8 void* term_thread(void *arg); // term线程声明

10 int main()

11 {

12 pthread_t mid_tid, term_tid; // 存放线程ID

14 if (pthread_create(&mid_tid, NULL, mid_thread, NULL)) {

// 创建mid线程

15 perror("Create mid thread error!");

16 return 0;

17 }

19 if (pthread_create(&term_tid, NULL, term_thread, (void*)&mid_thread)) { // 创建term线程

20 perror("Create term thread fail!/n");

21 return 0;

22 }

24 if (pthread_join(mid_tid, NULL)) { // 等待mid线程结束

25 perror("wait mid thread error!");

26 return 0;

27 }

29 if (pthread_join(term_tid, NULL)) { // 等待term线程结束

30 perror("wait term thread error!");

31 return 0;

32 }

34 return 0;

35 }

37 void* mid_thread(void *arg) // mid线程定义

38 {

39 int times = 0;

40 printf("mid thread created!/n");

41 while(1) { // 不断打印等待的次数，间隔2秒

42 printf("waitting term thread %d times!/n", times);

43 sleep(2);

44 times++;

45 }

46 }

48 void* term_thread(void *arg) // term线程定义

49 {

50 pthread_t *tid;

51 printf("term thread created!/n");

52 sleep(2);

53 if (NULL!=arg) {

54 tid = (pthread_t*)arg;

55 pthread_cancel((*tid)); // 如果线程ID合法，结束线程

56 }

57 }

程序定义了两个线程函数mid_thread()和term_thread()。第14行和第19行调用pthread_create()函数创建两个线程，第19行创建线程的时候还需要把mid线程的ID传入term_thread()函数。程序第40～44行不断打印线程等待的次数，间隔时间为2秒。程序第53～55行首先检查线程ID是否有效，如果有效则调用pthread_cancel()函数结束指定的线程。程序运行结果如下：

mid thread created!

waitting term thread 0 times!

term thread created!

waitting term thread 1 times!

mid线程等待2秒后，被term线程结束，整个程序退出。主线程没有打印等待错误，表示等待两个线程状态正确。