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Linux系统 -- 线程（pthread）核心知识整理

news 2025/8/28 14:09:42

一、线程基本概念

1. 线程定义

线程是轻量级进程（LWP），是进程内部的多个并发执行任务，共享进程的大部分资源（如地址空间、文件描述符），仅拥有私有执行上下文（寄存器、栈、程序计数器）。

2. 线程与进程的核心区别

核心特性进程（Process）线程（Thread）
资源分配单位系统最小资源分配单位（独立地址空间、资源）系统最小执行单位（共享进程资源）
资源开销大（约 3GB 地址空间）小（约 8MB 线程栈）
数据共享方式需通过 IPC 机制（管道、共享内存等）除栈区外全部共享（全局变量、堆、文件描述符）
稳定性高（一个进程崩溃不影响其他进程）低（一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃）
适用场景独立大任务（如浏览器、编辑器）同一任务的子任务（如视频发送 + 控制接收）
归属关系操作系统独立实体隶属于某个进程，依赖进程存在

共同点：均支持并发执行，由操作系统调度器分配 CPU 时间。

3. 线程的优缺点

优点缺点
比多进程节省系统资源（内存、CPU 切换开销）稳定性低（线程崩溃影响进程）
线程间数据共享便捷（无需 IPC）调试复杂（需 GDB 专用命令如 info thread）

二、线程核心操作（POSIX 函数）

1. 线程创建：pthread_create

函数原型

c

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread,           // 输出：存储新线程 ID 的指针const pthread_attr_t *attr,  // 输入：线程属性（NULL 表示默认属性）void *(*start_routine)(void *), // 输入：线程入口函数（函数指针）void *arg                    // 输入：传递给线程入口函数的参数（void* 类型）
);
功能与返回值
  • 功能：向内核请求创建新线程，绑定入口函数并传递参数。
  • 返回值：成功返回 0，失败返回非零错误码（如 EAGAIN 资源不足、EINVAL 属性无效）。
关键说明
  • 一次调用仅创建一个线程，每个进程至少有一个主线程（main 函数）。
  • 主线程退出（如 return/exit）会导致所有子线程强制退出（需用 pthread_exit 让主线程退出但保留子线程）。
  • 查看线程信息：ps -eLf 或 ps -eLo pid,ppid,lwp,stat,comm（lwp 为内核线程 ID）。
示例代码

c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>// 线程1入口函数：发送视频
void *th1(void *arg) {while (1) {printf("th1 发送视频（tid:%lu）\n", pthread_self());sleep(1);}return NULL;
}// 线程2入口函数：接收控制
void *th2(void *arg) {while (1) {printf("th2 接收控制（tid:%lu）\n", pthread_self());sleep(1);}return NULL;
}int main() {pthread_t tid1, tid2;// 创建两个子线程pthread_create(&tid1, NULL, th1, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, th2, NULL);while (1) sleep(1); // 主线程保持运行，避免子线程被终止return 0;
}

2. 获取线程 ID：pthread_self

函数原型

c

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
功能与返回值
  • 功能：获取当前线程的用户态 ID（pthread_t 类型）。
  • 返回值：当前线程的 ID（进程内唯一，跨进程不唯一）。
关键说明
  • 不可用 == 直接比较线程 ID（pthread_t 可能是结构体），需用 pthread_equal(tid1, tid2) 判断是否相等。
  • 与内核线程 ID 区别：pthread_self 返回用户态 ID，gettid() 系统调用返回内核态 TID（ps -L 中的 LWP）。
示例代码

c

// 线程函数中打印自身 ID
printf("th1 tid: %lu\n", pthread_self());
// 主线程打印自身 ID
printf("main tid: %lu\n", pthread_self());

3. 线程退出：两种方式

方式 1：自行退出（自杀）pthread_exit
函数原型

c

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
功能与参数
  • 功能：当前线程主动终止，可返回状态值（供 pthread_join 获取）。
  • 参数 retval：线程返回值（void* 类型，需指向有效内存，避免局部变量）。
关键说明
  • 在线程入口函数中，return retval 与 pthread_exit(retval) 效果一致。
  • 若在子函数中调用 pthread_exit，会直接终止整个线程（而非仅退出子函数）。
示例代码

c

void *th(void *arg) {int i = 3;while (i--) {printf("th 运行中（tid:%lu）\n", pthread_self());sleep(1);}pthread_exit(NULL); // 3 秒后自行退出，返回 NULL
}
方式 2：强制退出（他杀）pthread_cancel
函数原型

c

#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
功能与参数
  • 功能：向指定线程发送 “取消请求”，线程在取消点（如 sleep/printf/read）响应并终止。
  • 参数 thread：要取消的线程 ID（由 pthread_create 输出）。
返回值
  • 成功返回 0，失败返回非零错误码（如 ESRCH 线程不存在）。
示例代码

c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void *th(void *arg) {while (1) {printf("th 运行中（tid:%lu）\n", pthread_self());sleep(1); // 取消点：线程会在此处检查取消请求}
}int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);int i = 0;while (1) {printf("main 运行中（tid:%lu）\n", pthread_self());sleep(1);if (3 == i) { // 3 秒后强制取消子线程pthread_cancel(tid);printf("已发送取消请求\n");}i++;}return 0;
}

4. 线程回收：pthread_join

函数原型

c

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能与参数
  • 功能：阻塞主线程，等待指定线程结束，回收其内核资源（避免僵尸线程），并获取返回值。
  • 参数：
    • thread：要回收的线程 ID。
    • retval：输出：接收线程返回值的二级指针（无需获取返回值则设为 NULL）。
返回值
  • 成功返回 0，失败返回非零错误码（如 EINVAL 线程不可连接）。
关键说明
  • 仅能回收 “可连接线程”（默认状态），分离线程（pthread_detach）无法用 pthread_join 回收。
  • 线程返回值 *retval 需指向有效内存（堆 / 全局 / 静态变量），避免局部变量（线程结束后栈释放）。
示例代码

c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>void *th(void *arg) {// 动态分配内存存储返回值（堆内存，线程结束后不释放）char *str = malloc(20);strcpy(str, "我要结束了");sleep(3); // 模拟任务执行pthread_exit(str); // 返回堆内存地址
}int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);void *ret = NULL;pthread_join(tid, &ret); // 等待线程结束，获取返回值printf("线程返回值：%s\n", (char*)ret);free(ret); // 释放线程分配的堆内存return 0;
}

5. 线程分离属性：pthread_detach/ 属性初始化

核心作用

将线程设为 “分离状态”，线程结束后自动回收资源，无需 pthread_join（适用于无需获取返回值的线程，如日志线程）。

两种设置方式
方式 1：直接调用 pthread_detach

c

void *th(void *arg) {pthread_detach(pthread_self()); // 自身设为分离状态printf("分离线程运行中\n");sleep(2);return NULL; // 结束后自动回收资源
}int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);sleep(3); // 等待线程结束（避免主线程先退出）return 0;
}
方式 2：通过线程属性初始化

c

#include <pthread.h>int main() {pthread_t tid;pthread_attr_t attr;pthread_attr_init(&attr); // 初始化属性pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 设置分离属性pthread_create(&tid, &attr, th, NULL); // 用分离属性创建线程pthread_attr_destroy(&attr); // 销毁属性（避免内存泄漏）sleep(3);return 0;
}
相关函数
  • pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr)：初始化线程属性。
  • pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr)：销毁线程属性，释放资源。

6. 线程清理函数：pthread_cleanup_push/pop

函数原型

c

#include <pthread.h>
void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg); // 注册清理函数
void pthread_cleanup_pop(int execute);                        // 触发/取消清理函数
功能

在线程退出时（无论正常退出、pthread_cancel 或 pthread_exit），自动执行清理操作（如释放内存、关闭文件）。

参数说明
  • pthread_cleanup_push：
    • routine：清理函数（参数为 void*，无返回值）。
    • arg：传递给清理函数的参数。
  • pthread_cleanup_pop：
    • execute：非 0 表示执行清理函数，0 表示取消清理函数。
示例代码

c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>// 清理函数：释放内存+关闭文件
typedef struct {FILE *fp;char *buf;
} CleanArgs;void clean(void *arg) {CleanArgs *args = (CleanArgs*)arg;printf("执行清理操作\n");free(args->buf);   // 释放堆内存fclose(args->fp);  // 关闭文件
}void *th(void *arg) {FILE *fp = fopen("test.txt", "w");char *buf = malloc(20);CleanArgs args = {fp, buf};pthread_cleanup_push(clean, &args); // 注册清理函数fputs("hello thread", fp); // 业务逻辑strcpy(buf, "test");pthread_cleanup_pop(1); // 执行清理函数（1 表示触发）return NULL;
}int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, th, NULL);pthread_join(tid, NULL);return 0;
}

三、线程参数与返回值传递

1. 基本参数传递（整数、字符串）

传递整数

c

void *th(void *arg) {int num = *(int*)arg; // 转换为 int* 并解引用printf("线程接收的整数：%d\n", num);return NULL;
}int main() {pthread_t tid;int num = 100;pthread_create(&tid, NULL, th, &num); // 传递整数地址pthread_join(tid, NULL);return 0;
}
传递字符串
字符串类型特点推荐度
栈区字符数组线程结束后内存释放，易悬空❌ 不推荐
字符串常量（"abc"）全局有效但不可修改⚠️ 谨慎使用
堆区字符串（malloc）可修改、生命周期可控✅ 推荐

示例（堆区字符串）：

c

void *th(void *arg) {char *str = (char*)arg;strcat(str, " world"); // 修改堆区字符串return str;
}int main() {pthread_t tid;char *str = malloc(20);strcpy(str, "hello");pthread_create(&tid, NULL, th, str); // 传递堆区字符串地址void *ret = NULL;pthread_join(tid, &ret);printf("线程返回的字符串：%s\n", (char*)ret); // 输出 "hello world"free(ret); // 释放堆内存return 0;
}

2. 结构体参数传递（复杂数据）

示例代码

c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>// 定义结构体：存储个人信息
typedef struct {char name[50];  // 姓名int age;        // 年龄char addr[100]; // 地址
} PER;// 线程函数：给结构体赋值
void *th(void *arg) {PER *per = (PER*)arg; // 转换为结构体指针// 读取姓名（去除换行符）printf("输入姓名：");fgets(per->name, sizeof(per->name), stdin);per->name[strlen(per->name)-1] = '\0';// 读取年龄（字符串转整数）printf("输入年龄：");char tmp[5] = {0};fgets(tmp, sizeof(tmp), stdin);per->age = atoi(tmp);// 读取地址printf("输入地址：");fgets(per->addr, sizeof(per->addr), stdin);return per; // 返回结构体指针
}int main() {PER per; // 主线程栈上创建结构体pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, th, &per); // 传递结构体地址void *ret = NULL;pthread_join(tid, &ret);// 打印结构体数据printf("\n姓名：%s\n年龄：%d\n地址：%s\n", ((PER*)ret)->name, ((PER*)ret)->age, ((PER*)ret)->addr);return 0;
}
关键说明
  • 结构体存储在主线程栈上：线程仅修改结构体内容，不 ownership，无需释放。
  • 若结构体在堆上（malloc）：主线程需在回收线程后 free 结构体。

四、线程与进程函数对比

进程操作函数对应的线程操作函数功能说明
fork()pthread_create()创建新执行单元
getpid()/getppid()pthread_self()获取自身 ID
exit()pthread_exit()终止自身
wait()/waitpid()pthread_join()等待并回收执行单元资源
kill()pthread_cancel()强制终止指定执行单元
atexit()pthread_cleanup_push()注册退出时的清理函数
exec() 系列无（线程共享地址空间，不支持）替换进程地址空间（线程不适用）

五、线程核心要点回顾

  1. 本质：轻量级进程，共享进程资源，仅私有栈和执行上下文。
  2. 核心优势：资源开销小、数据共享便捷，适合并发子任务。
  3. 关键函数：
    • 创建：pthread_create
    • 回收：pthread_join
    • 退出：pthread_exit/pthread_cancel
    • 分离：pthread_detach
  4. 内存安全：
    • 参数 / 返回值需指向有效内存（堆 / 全局 / 静态变量），避免局部变量。
    • 共享数据需同步（后续需学习互斥锁、条件变量）。
  5. 调试技巧：GDB 中用 info thread 查看线程列表，thread <ID> 切换线程。

http://www.dtcms.com/a/354264.html

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