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深入理解 POSIX 线程 (pthread)：从基础到高级应用

news 来源：原创 2025/6/17 20:10:17

1. pthread 基础概念

1.1 什么是 pthread_t？

pthread_t 是 POSIX 线程库中用于标识线程的数据类型。每个线程都有一个唯一的 pthread_t 标识符，类似于进程 ID。

pthread_t thread_id;

关键特性：

不透明数据类型，具体实现因平台而异
可用于比较线程是否相同 (pthread_equal())
可通过 pthread_self() 获取当前线程 ID

1.2 线程创建与管理

创建线程的基本模式：

#include <pthread.h>

void* thread_function(void* arg) {
    // 线程执行的代码
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    int arg = 42;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, &arg);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

2. 线程同步机制

2.1 互斥锁 (Mutex)

互斥锁用于保护共享资源，防止数据竞争。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 临界区代码
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

2.2 条件变量 (Condition Variables)

条件变量允许线程在某些条件不满足时挂起，直到其他线程通知条件可能已改变。

基本用法：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
bool ready = false;

// 等待线程
void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    // 处理条件满足的情况
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

// 通知线程
void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    ready = true;
    pthread_cond_signal(&cond); // 或 pthread_cond_broadcast(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

Signaling for Condition Variables

条件变量的信号机制有两种：

pthread_cond_signal(): 唤醒至少一个等待该条件变量的线程
pthread_cond_broadcast(): 唤醒所有等待该条件变量的线程

选择原则：

当只有一个等待线程能被满足时，使用 signal (更高效)
当多个等待线程可能被满足时，使用 broadcast

2.3 何时使用 trylock？

pthread_mutex_trylock() 是非阻塞版本的互斥锁获取函数：

if (pthread_mutex_trylock(&mutex) == 0) {
    // 成功获取锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
} else {
    // 锁已被占用，执行其他操作
}

适用场景：

避免死锁：当需要获取多个锁时，可以先尝试非阻塞获取
实现自旋锁：在短暂循环中尝试获取锁
非关键路径：当锁不可用时可以执行其他操作而非阻塞

3. 高级线程控制

3.1 pthread_exit

pthread_exit() 用于显式终止当前线程，并可返回一个值。

void* thread_func(void* arg) {
    // 线程逻辑
    pthread_exit((void*)42); // 终止线程并返回值
}

关键点：

与 return 不同，pthread_exit() 可以用于任何函数中终止线程
主线程调用 pthread_exit() 会终止主线程但保持进程运行直到所有线程结束
返回值可通过 pthread_join() 获取

3.2 pthread_barrier

屏障用于同步多个线程，使它们在某一点等待所有线程到达后再继续执行。

pthread_barrier_t barrier;

void* thread_func(void* arg) {
    // 第一阶段工作
    pthread_barrier_wait(&barrier);
    // 第二阶段工作（所有线程都到达屏障后执行）
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_barrier_init(&barrier, NULL, 3); // 等待3个线程
    // 创建3个线程...
    pthread_barrier_destroy(&barrier);
    return 0;
}

应用场景：

并行计算中的阶段同步
多线程初始化完成后才开始处理数据
测试多线程程序的确定性行为

3.3 Detached Threads

分离线程是不需要被其他线程 join 的线程，其资源在线程结束时自动回收。

void* thread_func(void* arg) {
    // 线程逻辑
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_attr_t attr;
    
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    pthread_create(&thread, &attr, thread_func, NULL);
    pthread_attr_destroy(&attr);
    
    // 不需要 join
    return 0;
}

特点：