【Linux】多线程编程

大家好，我是LinuxZn。

Hello系列 ， 汇总短而实用的内容。

什么是多线程编程？

1、线程和进程的区别

进程是指正在运行的程序，它拥有独立的内存空间和系统资源，不同进程之间的数据不共享。

线程是进程内的执行单元，它与同一进程内的其他线程共享进程的内存空间和系统资源。

2、多线程的优势和应用场景

多线程是一种并发编程方式，它的优势包括：

• 提高程序的响应速度和运行效率（多核CPU下的多线程）
• 充分利用CPU资源，提高系统的利用率
• 支持多个任务并行执行，提高程序的可扩展性和可维护性

Linux下的多线程编程

Linux下C语言多线程编程依赖于pthread多线程库。pthread库是Linux的多线程库，是POSIX标准线程API的实现，它提供了一种创建和操纵线程的方法，以及一些同步机制，如互斥锁、条件变量等。

头文件：

#include <pthread.h>

编译链接需要链接链接库 pthread。

一、线程的基本操作

1、pthread_create

/**
 * @brief 创建一个线程
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] thread: 一个指向线程标识符的指针，线程调用后，该值被设置为线程ID；pthread_t为unsigned long int
 * @param[in] attr: 用来设置线程属性
 * @param[in] start_routine: 线程函数体，线程创建成功后，thread 指向的内存单元从该地址开始运行
 * @param[in] arg: 传递给线程函数体的参数
 *
 * @return 线程创建成功，则返回0，失败则返回错误码，并且 thread 内容是未定义的
 */
int pthread_create(pthread_t* thread, const pthread_attr_t* attr, void*(*start_routine)(void*), void* arg);

例子test.c：创建一个线程，每1s打印一次。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;

void *thread_fun(void *arg)
{
    s_thread_running = 1;
    while (s_thread_running)
    {
        printf("thread run...\n");
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ret = pthread_join(s_thread_id, NULL); ///< 阻塞等待线程结束
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_join error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("After Thread\n");
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

编译、运行：

gcc test.c -o test -lpthread

2、pthread_join

/**
 * @brief 等待某个线程结束
 *
 * Detailed function description: 这是一个线程阻塞函数，调用该函数则等到线程结束才继续运行
 *
 * @param[in] thread: 某个线程的ID
 * @param[in] retval: 用于获取线程 start_routine 的返回值
 *
 * @return 线程创建成功，则返回0，失败则返回错误码，并且 thread 内容是未定义的
 */
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

例子test.c：创建一个线程，进行一次加法运算就返回。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;

void *thread_fun(void *arg)
{
    static int res = 0;
    int a = 1, b = 2;

    res = a + b;
    sleep(1);
    printf("thread run, a + b = %d, addr = %p\n", res, &res);

    pthread_exit(&res);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;
    int *retval = NULL;

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ret = pthread_join(s_thread_id, (void **)&retval); ///< 阻塞等待线程结束
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_join error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (retval != NULL)
    {
        printf("After Thread, retval = %d, addr = %p\n", (int)*retval, retval);
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

编译、运行：

3、pthread_exit

/**
 * @brief 退出线程
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] retval: 它指向的数据将作为线程退出时的返回值
 *
 * @return void
 */
void pthread_exit(void *retval);

1. 线程将指定函数体中的代码执行完后自行结束；
2. 线程执行过程中，被同一进程中的其它线程（包括主线程）强制终止；
3. 线程执行过程中，遇到 pthread_exit() 函数结束执行。

例子test.c：创建一个线程，每个1s打印一次，打印超过5次时调用pthread_exit退出。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;
const static char *thread_exit_str = "thread_exit ok!";

void *thread_fun(void *arg)
{
    static int cnt = 0;
    
    s_thread_running = 1;
    while (s_thread_running)
    {
        cnt++;
        if (cnt > 5)
        {
            pthread_exit((void*)thread_exit_str);
        }
        printf("thread run...\n");
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;
    void *thread_res = NULL;

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ret = pthread_join(s_thread_id, (void**)&thread_res);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_join error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("After Thread, thread_res = %s\n", (char*)thread_res);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

编译、运行：

使用return退出线程与使用pthread_exit退出线程的区别？

return为通用的函数退出操作，pthread_exit专用与线程，既然pthread库有提供专门的函数，自然用pthread_exit会好些，虽然使用return也可以。

看看return退出线程与使用pthread_exit退出线程的具体区别：退出主线程。使用pthread_exit退出主线程只会终止当前线程，不会影响进程中其它线程的执行；使用return退出主线程，主线程退出执行很快，所有线程都会退出。

例子：使用pthread_exit退出主线程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;
const static char *thread_exit_str = "thread_exit ok!";

void *thread_fun(void *arg)
{
    sleep(1);
    printf("thread_fun run...\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;
    void *thread_res = NULL;

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("main thread exit\n");
    pthread_exit(NULL);
}

编译、运行：

例子：使用return退出主线程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;
const static char *thread_exit_str = "thread_exit ok!";

void *thread_fun(void *arg)
{
    sleep(1);
    printf("thread_fun run...\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;
    void *thread_res = NULL;

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("main thread exit\n");
    
    return 0;
}

编译、运行：

4、pthread_self

/**
 * @brief 用来获取当前线程ID
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] void
 *
 * @return 返回线程id
 */
pthread_t pthread_self(void);

例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;
const static char *thread_exit_str = "thread_exit ok!";

void *thread_fun(void *arg)
{
    static int cnt = 0;
    
    s_thread_running = 1;
    while (s_thread_running)
    {
        cnt++;
        if (cnt > 5)
        {
            pthread_exit((void*)thread_exit_str);
        }
        printf("thread run(tid = %ld)...\n", pthread_self());
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;
    void *thread_res = NULL;

    pid_t pid = getpid();
    printf("pid = %d\n", pid);

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ret = pthread_join(s_thread_id, (void**)&thread_res);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_join error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("After Thread, thread_res = %s\n", (char*)thread_res);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

编译、运行：

5、pthraad_detach

/**
 * @brief 分离线程
 *
 * Detailed function description: 分离线程，线程结束是系统自动回收线程的资源
 *
 * @param[in] thread: 某个线程的ID
 *
 * @return 成功时返回0，失败返回其他值
 */
int pthread_detach(pthread_t thread);

pthread_create创建的线程有两种状态：joinable（可结合的）和unjoinable（不可结合的/分离的）。默认是joinable 状态。

一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死；在被其他线程回收之前，它的存储器资源（如栈）是不释放的，所以以默认的属性创建线程时，创建的线程时可结合的，我们需要对线程退出时调用pthread_join对线程资源进行回收。只有当pthread_join函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。

一个不可结合的线程，线程结束后会自动释放占用资源。

因为pthread_join是一个阻塞的操作，而大多数时候主线程并不希望因为调用pthread_join而阻塞，并且大多数情况下不会使用线程函数体的返回值，所以这时候可以把线程创建为不可结合的/分离的。

把线程创建为不可结合的/分离的有两种方式：

• 在创建线程之后，使用pthraad_detach分离线程。

• 在创建线程之前，使用pthread_attr_setdetachstate设置线程以不可结合的/分离的状态创建。

例子：在创建线程之后，使用pthraad_detach分离线程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;

void *thread_fun(void *arg)
{
    s_thread_running = 1;
    while (s_thread_running)
    {
        printf("child thread run...\n");
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;

    printf("Before Thread\n");
    ret = pthread_create(&s_thread_id, NULL, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ret = pthread_detach(s_thread_id);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_detach error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("After Thread\n");

    while (1)
    {
        printf("main thread run...\n");
        sleep(1);
    }
    
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

编译、运行：

pthread_join与pthraad_detach的区别：

• pthread_detach()即主线程与子线程分离，两者相互不干涉，子线程结束同时子线程的资源自动回收。
• pthread_join()即是子线程合入主线程，主线程会一直阻塞，直到子线程执行结束，然后回收子线程资源，并继续执行。

6、pthread_attr_init

/**
 * @brief 初始化一个线程对象的属性
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] attr: 指向一个线程属性的指针
 *
 * @return 成功时返回0，失败返回其他值
 */
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);

如果不设置线程属性，线程则以默认属性进行创建，默认的属性值如：

例子：在创建线程之前，使用pthread_attr_setdetachstate设置线程以不可结合的/分离的状态创建。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread_id;
static unsigned char s_thread_running = 0;

void *thread_fun(void *arg)
{
    s_thread_running = 1;
    while (s_thread_running)
    {
        printf("thread run...\n");
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;

    printf("Before Thread\n");
    pthread_attr_t attr;
    ret = pthread_attr_init(&attr);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_attr_init error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);  ///< 线程以分离的状态创建
    ret = pthread_create(&s_thread_id, &attr, thread_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("After Thread\n");
    pthread_attr_destroy(&attr);  ///< 销毁线程属性结构

    while (1)
    {
        sleep(1);
    }
    
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

二、互斥锁（mutex）的使用

互斥锁用于保护一些公共资源。一些公共资源有可能会被多个线程共同使用，如果不做资源保护，可能会产生 意想不到的bug。

一个线程，如果需要访问公共资源，需要获得互斥锁并对其加锁，资源在在锁定过程中，如果其它线程对其进行访问，也需要获得互斥锁，如果获取不到，线程只能进行阻塞，直到获得该锁的线程解锁。

互斥锁API：

#include<pthread.h>  
///< 创建互斥对象，用指定的初始化属性初始化互斥对象  
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,  
                                       const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);  

///< 加锁  
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);  

///< 解锁  
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);  

///< 加锁，但是如果对象已经上锁则返回EBUSY错误代码而不阻塞  
int pthread_mmutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);  

///< 析构并释放mutex相关资源  
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);  

互斥锁有两种创建方式：

• 静态创建：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

• 动态创建：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

pthread互斥锁属性包括：

• PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP：这是缺省值，也就是普通锁。当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将会形成一个等待队列，并在解锁后按优先级获得锁。这种策略可以确保资源分配的公平性。
• PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP：嵌套锁。允许同一个线程对同一个锁成功获得多次，并通过unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新竞争。
• PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP：检错锁。如果同一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同，这样就保证了当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。
• PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP：适应锁，动作最简单的锁类型，仅等待一小段时间，如果不能获得锁就放弃等待

互斥锁使用形式：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);  ///< 初始化互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex);       ///< 加锁
///< 操作公共资源
pthread_mutex_unlock(&mutex);     ///< 解锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);    ///< 销毁互斥锁

例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread1_id;
static pthread_t s_thread2_id;
static unsigned char s_thread1_running = 0;
static unsigned char s_thread2_running = 0;

static pthread_mutex_t s_mutex;
static int s_cnt = 0;

void *thread1_fun(void *arg)
{
     printf("[%s]pthread_mutex_lock ------ s_cnt = %d\n", __FUNCTION__, s_cnt);
    pthread_mutex_lock(&s_mutex);    ///< 加锁
    for (size_t i = 0; i < 100; i++)
    {
        s_cnt++;
    }
    printf("[%s]pthread_mutex_unlock ------ s_cnt = %d\n", __FUNCTION__, s_cnt);
    pthread_mutex_unlock(&s_mutex);  ///< 解锁
    
    pthread_exit(NULL);
}

void *thread2_fun(void *arg)
{
    printf("[%s]pthread_mutex_lock ------ s_cnt = %d\n", __FUNCTION__, s_cnt);
    pthread_mutex_lock(&s_mutex);    ///< 加锁
    for (size_t i = 0; i < 100; i++)
    {
        s_cnt++;
    }
    printf("[%s]pthread_mutex_unlock ------ s_cnt = %d\n", __FUNCTION__, s_cnt);
    pthread_mutex_unlock(&s_mutex);  ///< 解锁
    
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;

    ///< 创建互斥量
    ret = pthread_mutex_init(&s_mutex, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_mutex_init error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 创建线程1
    ret = pthread_create(&s_thread1_id, NULL, thread1_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread1_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    ret = pthread_join(s_thread1_id, NULL); ///< 阻塞等待线程结束
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread1_join error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 创建线程2
    ret = pthread_create(&s_thread2_id, NULL, thread2_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread2_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    ret = pthread_join(s_thread2_id, NULL); ///< 阻塞等待线程结束
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread2_join error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("main thread, s_cnt = %d\n", s_cnt);

    ret = pthread_mutex_destroy(&s_mutex);
    {
        printf("pthread_mutex_destroy error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}

编译、运行：

三、条件变量的使用

条件变量是在线程中以睡眠的方式等待某一条件的发生，是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。

条件变量是线程可用的一种同步机制，条件变量给多个线程提供了一个会合的场所，条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

条件变量API：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

///< 条件变量初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

///< 销毁条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

///< 等待条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

///< 带有超时功能的 等待条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, 
						pthread_mutex_t *restrict mutex,
						const struct timespec *restrict tsptr);

///< 通知条件变量，唤醒至少1个等待该条件的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

///< 通知条件变量，广播唤醒等待该条件的所有线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

假如有两个线程，线程1依赖于某个变量才能执行相应的操作，而这个变量正好是由线程2来改变的。这种情况下有两种方案编写程序：

方案一：线程1轮询的方式检测这个变量是否变化，变化则执行相应的操作。

方案二：使用条件变量的方式。线程1等待线程2满足条件时进行唤醒。

其中，方案一比较浪费CPU资源。

条件变量的例子：创建两个线程，线程1对全局计数变量cnt从0开始进行自增操作。线程2打印5的倍数，线程1打印其它数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

static pthread_t s_thread1_id;
static pthread_t s_thread2_id;
static unsigned char s_thread1_running = 0;
static unsigned char s_thread2_running = 0;

static pthread_mutex_t s_mutex;
static pthread_cond_t s_cond;
static int s_cnt = 0;

void *thread1_fun(void *arg)
{
    s_thread1_running = 1;
    while (s_thread1_running)  
    {
        pthread_mutex_lock(&s_mutex);    ///< 加锁
        s_cnt++;
        pthread_mutex_unlock(&s_mutex);  ///< 解锁

        if (s_cnt % 5 == 0)
        {
            pthread_cond_signal(&s_cond);  ///< 唤醒其它等待该条件的线程
        }
        else
        {
            printf("[%s]s_cnt = %d\n", __FUNCTION__, s_cnt);
        }

        usleep(100 * 1000);
    }
    
    pthread_exit(NULL);
}

void *thread2_fun(void *arg)
{
    s_thread2_running = 1;
    while (s_thread2_running)
    {
        pthread_mutex_lock(&s_mutex);    ///< 加锁
        while (s_cnt % 5 != 0)
        {
            pthread_cond_wait(&s_cond, &s_mutex);   ///< 等待条件变量
        }
        
        printf("[%s]s_cnt = %d\n", __FUNCTION__, s_cnt);
        pthread_mutex_unlock(&s_mutex);  ///< 解锁
        
        usleep(200 * 1000);
    }
    
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
    int ret = 0;

    ///< 创建互斥量
    ret = pthread_mutex_init(&s_mutex, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_mutex_init error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 创建条件变量
    ret = pthread_cond_init(&s_cond, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_cond_init error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 创建线程1
    ret = pthread_create(&s_thread1_id, NULL, thread1_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread1_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    ret = pthread_detach(s_thread1_id);
    if (ret != 0)
    {
        printf("s_thread1_id error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 创建线程2
    ret = pthread_create(&s_thread2_id, NULL, thread2_fun, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("thread2_create error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    ret = pthread_detach(s_thread2_id);
    if (ret != 0)
    {
        printf("s_thread2_id error!\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while (1)
    {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

编译、运行：

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相关资料：

• 《UNIX环境高级编程（第三版）》

• 《高质量嵌入式Linux C编程》

• https://zhuge.blog.csdn.net/article/details/123783374

• https://blog.csdn.net/jinking01/article/details/112185115

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