unix环境高级编程学习——线程编程

显示全部楼层 · 2023-9-15 09:54:46

1. 线程编程概述

线程（Thread）是多任务处理中的一种实现模式。在Unix/Linux环境中，线程被视为轻量级的进程，它们共享相同的地址空间，允许程序中的不同部分同时执行。线程编程是一种高效的并发编程方式，它可以让程序员在单个进程中实现并发操作，提高程序的执行效率。
线程和进程的联系和区别:
线程和进程都是计算机科学中描述程序执行过程的基本概念，但它们在资源使用、执行过程和错误处理等方面存在明显的差异。

资源使用：进程是操作系统资源分配的基本单位，它拥有独立的代码和数据空间（即程序上下文）。然而，同一类线程共享进程所拥有的全部资源，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间的切换开销相对较小。
执行过程：进程是一个动态概念，是程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。每个进程都有自己的地址空间，至少有5种基本状态，它们是：初始态、执行态、等待状态、就绪状态和终止状态。然而，线程是CPU调度和分派的基本单位，线程必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制，两者均可并发执行。
错误处理：当一个进程崩溃时，它对其他进程不会产生影响。然而，一个线程崩溃后整个进程都会死掉，因为线程是进程的一部分。所以，多进程比多线程更健壮。

总的来说，进程和线程在资源使用、执行过程和错误处理等方面存在明显差异。进程拥有独立的资源，而线程则共享资源。此外，进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位。在错误处理方面，进程比线程更健壮。
线程编程的基本概念包括线程创建、线程终止、线程同步、线程通信等。下面我们将从这几个方面来详细介绍线程编程
。
2. 线程创建

在Unix/Linux环境中，创建线程的函数是pthread_create。该函数需要传入以下参数：

thread：指向线程标识符的指针。
attr：指向线程属性的指针，通常设置为NULL。
start_routine：指向线程函数的指针。
arg：传递给线程函数的参数。

以下是pthread_create函数的示例代码：

#include <pthread.h>
void* my_thread_func(void* arg) {
// 线程函数代码
return NULL;
}
int main() {
pthread_t my_thread;
int ret = pthread_create(&my_thread, NULL, my_thread_func, NULL);
if (ret != 0) {
// 线程创建失败
return -1;
}
// 等待线程结束
pthread_join(my_thread, NULL);
return 0;
}

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在上面的代码中，我们定义了一个名为my_thread_func的线程函数，并在main函数中通过pthread_create函数创建了一个名为my_thread的新线程来执行该函数。如果线程创建成功，pthread_create函数将返回0，否则返回错误码。最后，我们使用pthread_join函数等待my_thread线程结束。

3. 线程终止
在Unix/Linux环境中，终止线程的函数是pthread_exit。该函数需要传入一个指向void的指针，该指针将被用作线程的返回值。如果主线程中调用了pthread_join函数来等待子线程结束，那么该指针将被传递给pthread_join函数。以下是一个使用pthread_exit函数的示例代码：

#include <pthread.h>
void* my_thread_func(void* arg) {
// 线程函数代码
pthread_exit(NULL); // 终止线程并返回NULL
}
int main() {
pthread_t my_thread;
int ret = pthread_create(&my_thread, NULL, my_thread_func, NULL);
if (ret != 0) {
// 线程创建失败
return -1;
}
// 等待线程结束
pthread_join(my_thread, NULL);
return 0;
}

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4. 线程同步
在多线程编程中，线程同步是一种关键技术，它用于协调多个线程的执行顺序，以避免资源竞争和数据不一致的问题。在Unix/Linux环境中，我们可以使用以下线程同步技术：
4.1 互斥锁（Mutex）
互斥锁是一种最基本的线程同步机制，它可以保证在任意时刻，只有一个线程可以访问共享资源。在Unix/Linux中，我们可以使用pthread库提供的函数来创建和管理互斥锁。
以下是使用互斥锁的示例代码：

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int shared_data = 0;
void* thread_func(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
shared_data += 1;
printf("Thread %ld: shared_data = %d\n", pthread_self(), shared_data);
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
return NULL;
}
int main() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
return 0;
}

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4.2 条件变量（Condition Variables）
条件变量是一种更高级的线程同步机制，它允许线程等待某个条件成立。当条件成立时，被阻塞的线程将被唤醒。在Unix/Linux中，我们可以使用pthread库提供的函数来创建和管理条件变量。
以下是使用条件变量的示例代码

：

#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond;
int shared_data = 0;
void* thread_func(void* arg) {
printf("Thread %ld: waiting for shared data...\n", pthread_self());
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件成立
shared_data += 1;
printf("Thread %ld: shared_data = %d\n", pthread_self(), shared_data);
return NULL;
}
int main() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
pthread_cond_init(&cond, NULL); // 初始化条件变量
pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
pthread_cond_destroy(&cond); // 销毁条件变量
return 0;
}

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5. 线程通信
在多线程编程中，线程之间的通信是一个常见的问题。在Unix/Linux环境中，我们可以使用以下线程通信技术：
5.1 管道（Pipe）
管道是一种最简单的线程通信方式，它允许一个线程向另一个线程发送数据。在Unix/Linux中，我们可以使用pipe函数来创建一个管道，并使用write函数向管道写入数据，使用read函数从管道读取数据。
以下是使用管道的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int pipefd[2];
pid_t pid;
char buf[1024];
if (pipe(pipefd) == -1) {
perror("pipe");
return -1;
}
pid = fork();
if (pid == -1) {
perror("fork");
return -1;
} else if (pid == 0) { // 子进程
close(pipefd[1]); // 关闭管道的写端
read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
printf("Child process received message: %s\n", buf);
close(pipefd[0]);
} else { // 父进程
close(pipefd[0]); // 关闭管道的读端
write(pipefd[1], "Hello from parent", 17);
close(pipefd[1]);
}
return 0;
}

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5.2 消息队列（Message Queue）
消息队列是一种更高级的线程通信方式，它允许一个线程向另一个线程发送消息。在Unix/Linux中，我们可以使用msgget函数创建一个消息队列，并使用msgsnd函数向消息队列发送消息，使用msgrcv函数从消息队列接收消息。
以下是使用消息队列的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#define MSG_SIZE 1024
struct {
long mtype;
char mtext[MSG_SIZE];
} msgbuf;
int main() {
int msqid;
key_t key;
char* mtext = "Hello from parent";
int mtextlen = strlen(mtext);
key = ftok(".", 'R'); // 获取消息队列的key值
msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列
if (msqid == -1) {
perror("msgget");
return -1;
}
msgbuf.mtype = mtextlen; // 设置消息类型为长度
strncpy(msgbuf.mtext, mtext, mtextlen); // 设置消息内容为mtext字符串
if (msgsnd(msqid, &msgbuf, mtextlen + sizeof(long), 0) == -1) { // 发送消息到消息队列中
perror("msgsnd");
return -1;
} else { // 从消息队列接收消息并打印出来
if (msgrcv(msqid, &msgbuf, MSG_SIZE, mtextlen, 0) == -1) {
perror("msgrcv");
return -1; else printf("Received message: %s\n", msgbuf.mtext); close(msqid); } } }