【系统编程】线程控制原语

一、获取线程 id

1.1 线程号 pthread_t

• 类型：pthread_t
• 范围：只在所属进程中唯一
• 底层实现：
  • Linux下一般是无符号长整数
  • 有些系统可能是结构体，不能强行转换为整数来比较

1.2 函数 pthread_self

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);

• 作用：获取线程 id，在进程内部去标识线程身份。
• 返回值：线程ID（类型为 pthread_t）

1.3 函数 pthread_equal

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

• 作用：判断 t1 和 t2 是否是同一个线程
• 返回值：
  • 相同：返回非 0
  • 不同：返回 0
• 不能直接用 == 比较，为了可移植性必须使用该函数

二、创建线程

2.1 创建子线程

#include <pthread.h>int pthread_create(pthread_t *thread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void *),void *arg
);

• 参数：

  • thread：传出参数，新子线程的线程 id
  • attr：线程属性，默认传 NULL，表示使用默认属性
  • start_routine：函数指针，子线程的入口函数地址（回调函数）
    • 指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。
    • pthread_create 调用成功，该函数会被自动调用起来
  • arg：线程主体函数执行期间所使用的函数参数。（void* 类型）

• 返回值：

  • 成功：0
  • 失败：返回错误码（不是设置到 errno）

• 错误处理：

  • pthread_create 的错误码不保存在 errno 中
  • 不能使用 perror() 打印错误信息
  • 应该使用 strerror(ret) 将错误码转为字符串再打印
  • 示例：

  #include <string.h>
  char *strerror(int errnum);
  // 举例应用：
  int ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, (void *)&test);
  if (ret != 0) {printf("error number: %d\n", ret);fprintf(stderr, "error information: %s\n", strerror(ret));
  }
  

• 创建线程示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>// 子线程的主体函数
void *tfn(void *arg)
{printf("tfn: pid = %d, pthread_id = %lu\n", getpid(), pthread_self());return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid;// 创建子线程int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);if (ret != 0) {fprintf(stderr, "pthread_create err: %s\n", strerror(ret));}printf("main: pid = %d, pthread_id = %lu\n", getpid(), pthread_self());sleep(1);  // 给子线程执行时间return 0;  // 释放进程地址空间
}

2.2 循环创建N个子线程

• 每个子线程打印自己是第几个被创建出来的

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>void sys_err(const char *str)
{perror(str);exit(1);
}void *tfn(void *arg)
{int i = (int)arg;printf("this is %dth thread, pid: %d, tid: %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{int n = 5;if (argc == 2) {n = atoi(argv[1]);}int i, ret;pthread_t tid;for (i = 0; i < n; i++) {ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);if (ret != 0) {fprintf(stderr, "pthread_create err: %s\n", strerror(ret));}}usleep(1000);printf("this is main thread, pid: %d, tid: %lu\n", getpid(), pthread_self());return 0;
}

2.3 子线程传参地址错误

for (i = 0; i < n; i++) {ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)&i);if (ret != 0) {fprintf(stderr, "pthread_create err: %s\n", strerror(ret));}
}

void *tfn(void *arg)
{int i = *(int*)arg;printf("this is %dth thread, pid: %d, tid: %lu\n", i+1, getpid(), pthread_self());return NULL;
}

• void *arg 与 int i = *(int*)arg;
  • void * 是通用指针，可以指向任意类型（但不能直接解引用）。
  • (int *)arg 是类型强制转换，把 void * 转成 int *
  • *(int *)arg 是取出这个地址指向的 int 值

错误原因：

多个线程共享同一个变量的地址，从而造成数据竞争或混乱。

因为 &i 是主线程中的局部变量地址。多个线程在启动时都接收到这个相同的地址，而主线程在循环中每次 i++，这个值在原地址上被修改，线程看到的是不断变化的结果。

• 线程启动是异步的，多个线程可能还没来得及执行，主线程已经把 i 改了。
• 所以每个线程读取的 i 值都不一定是自己那一轮的值，而是最后或中间某次循环的值。

正确：

方法 1：定义独立变量（如堆上申请）

for (int i = 0; i < 5; i++) {int *arg = malloc(sizeof(int));*arg = i;pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, arg);
}

并在线程中释放：

void *tfn(void *arg)
{int i = *(int*)arg;printf("this is %dth thread\n", i+1);free(arg);  // 避免内存泄漏return NULL;
}

方法 2：使用数组，保证每次传入的地址是独立的

int args[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {args[i] = i;pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)&args[i]);
}

这种方式要确保 args 数组的生命周期足够长，在所有线程结束前不能销毁。

三、线程退出

3.1 线程退出方式比较

方式	作用对象	效果	建议使用场景
return	当前线程	返回到调用者那里	简单的线程函数使用
pthread_exit	当前线程	正常退出当前线程	推荐，线程安全退出
exit	当前进程	终止整个进程（所有线程终止）	不要在线程中使用

• exit() 终止整个进程，不仅仅是当前线程。会导致所有线程立刻终止。
• pthread_cancel() 可以杀死线程，但需要“保存点” —— 进内核即可得到。

3.2 函数 pthread_exit()

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

• 参数：返回给 pthread_join() 的退出值（可以是 NULL，也可以是指针）
• 如果希望线程返回一个值，让别的线程（如主线程）获取它，就传一个指针进去
  • 该指针不能指向线程函数内部的局部变量（栈内存）！
  • 当线程退出后，栈帧销毁，指针失效。
  • 主线程通过 pthread_join 获取到的是“野指针”。

四、线程资源回收

• 阻塞等待回收子线程

#include <pthread.h>
// int pthread_create(pthread_t *thread,...) 这里参1是指针
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• 参数：

  • pthread_t：待回收的线程 id
  • retval：传出参数，保存待回收线程返回值的指针地址（void **）

• 返回值：

  • 成功：0
  • 失败：错误号

• 示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>struct thrd {int var;char str[256];
};// 子线程的主体函数
void *tfn(void *arg)
{// struct thrd th;// th.var = 100;// strcpy(th.str, "hello thread")// pthread_exit((void *)&th);// 定义的局部变量，函数调用结束会被释放掉struct thrd *tval = (struct thrd *)arg;tval->var = 100;strcpy(tval->str, "hello thread");pthread_exit((void *)tval);// return (void *)tval;  // 也可以
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid;struct thrd arg, *retval;// 创建子线程int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)&arg);if (ret != 0) {fprintf(stderr, "pthread_create err: %s\n", strerror(ret));}// 回收子线程退出值ret = pthread_join(tid, (void**)&retval);if (ret != 0) {fprintf(stderr, "pthread_join err: %s\n", strerror(ret));}printf("child thread exit with: var = %d, str = %s\n", retval->var, retval->str);  // void* 指针是8字节pthread_exit((void *)0);  // 退出主线程return 0;  // 释放进程地址空间
}

五、线程分离

5.1 线程结束与资源回收

• 线程结束后，终止状态会一直保留，直到其他线程用 pthread_join 获取它的状态并回收资源。
• 如果没有 pthread_join，资源不会释放，会产生“僵尸线程”现象（类似僵尸进程）。

5.2 函数pthread_detach

int pthread_detach(pthread_t thread);

• 参数 thread：待设置为分离的线程 id
• 作用：
  • 把线程设置为“分离状态”。
  • 分离状态的线程结束后，系统自动回收资源，不保留终止状态。
  • 分离后不能再用 pthread_join，否则返回 EINVAL 错误。
  • 已经分离的线程，不能再用 pthread_join，不能获取线程退出值。
• 返回值：
  • 成功：0
  • 失败：错误号
• 特点：
  • 调用后不阻塞。
  • 常用于网络、多线程服务器，避免手动回收。
  • 也可以在 pthread_create 时通过线程属性设置为分离状态。

六、杀死（取消）线程

int pthread_cancel(pthread_t thread);

• 参数：待杀死的线程 id
• 作用：
  • 请求取消指定线程（类似进程的 kill，但不是立即终止）。
• 返回值：
  • 成功：0
  • 失败：错误号
• 注意事项：
  • 线程取消是延时的，需要线程运行到“取消点（保存点）”才能真正生效。
  • 取消点（保存点）：线程检查是否被取消的地方，通常是一些系统调用（如 read、write、open、close 等）。
  • 如果线程没有取消点，可在代码中调用 pthread_testcancel() 手动设置一个取消点。
• 被取消线程的退出值：
  • 宏定义：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)
  • 被取消后，用 pthread_join 获取的退出值是 (void *) -1。

七、线程进程控制原语对比

功能	进程原语	线程原语	说明
创建	fork	pthread_create	进程创建后资源独立，线程创建共享进程资源
退出	exit	pthread_exit	结束当前执行单元并释放资源
回收（等待结束）	wait/waitpid()	pthread_join	等待子进程/线程结束并回收资源
终止（强制结束）	kill	pthread_cancel	发送信号或请求终止执行
获取 ID	getpid	pthread_self	获取当前进程/线程 ID
返回 ID	getppid（父进程ID）	无直接对应（需保存）	线程父子关系不严格，对应的是同属一个进程
分离	无直接对应	pthread_detach()	线程设置为“分离状态”，分离状态的线程结束后，系统自动回收资源