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Linux 多线程编程实战指南
前言
多线程编程是现代软件开发中不可或缺的技术,它能够充分利用多核处理器的性能,提高程序的执行效率。本文将从实践角度详细介绍 Linux 多线程编程的核心知识。
一、多线程基础
1.1 为什么需要多线程?
- 提高程序响应性
- 充分利用多核处理器
- 资源共享效率高
- 降低系统开销
1.2 线程与进程的区别
- 资源共享方面
- 创建和切换开销
- 通信机制
- 编程复杂度
二、POSIX 线程编程
2.1 线程创建与终止
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void* thread_function(void* arg) {int thread_id = *(int*)arg;printf("线程 %d 开始执行\n", thread_id);// 线程执行的工作for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("线程 %d: 计数 %d\n", thread_id, i);sleep(1);}printf("线程 %d 执行完毕\n", thread_id);return NULL;
}int main() {pthread_t threads[3];int thread_ids[3] = {1, 2, 3};// 创建多个线程for(int i = 0; i < 3; i++) {if(pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &thread_ids[i]) != 0) {perror("线程创建失败");exit(1);}}// 等待所有线程结束for(int i = 0; i < 3; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}printf("所有线程执行完毕\n");return 0;
}
2.2 线程同步机制
2.2.1 互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int shared_counter = 0;void* safe_increment(void* arg) {for(int i = 0; i < 1000000; i++) {pthread_mutex_lock(&mutex);shared_counter++;pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
2.2.2 条件变量
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t condition = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int data_ready = 0;void* producer(void* arg) {while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 生产数据data_ready = 1;printf("数据已生产\n");// 通知消费者pthread_cond_signal(&condition);pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 等待数据while(!data_ready) {pthread_cond_wait(&condition, &mutex);}// 消费数据printf("数据已消费\n");data_ready = 0;pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}
三、实战案例:线程池实现
typedef struct {void (*function)(void* arg);void* arg;
} task_t;typedef struct {task_t* tasks;int task_capacity;int task_size;int task_front;int task_rear;pthread_t* threads;int thread_count;pthread_mutex_t lock;pthread_cond_t not_full;pthread_cond_t not_empty;int shutdown;
} thread_pool_t;// 线程池初始化
thread_pool_t* thread_pool_create(int thread_count, int task_capacity) {thread_pool_t* pool = malloc(sizeof(thread_pool_t));pool->tasks = malloc(sizeof(task_t) * task_capacity);pool->task_capacity = task_capacity;pool->task_size = 0;pool->task_front = 0;pool->task_rear = 0;pool->threads = malloc(sizeof(pthread_t) * thread_count);pool->thread_count = thread_count;pthread_mutex_init(&pool->lock, NULL);pthread_cond_init(&pool->not_full, NULL);pthread_cond_init(&pool->not_empty, NULL);pool->shutdown = 0;// 创建工作线程for(int i = 0; i < thread_count; i++) {pthread_create(&pool->threads[i], NULL, worker_thread, pool);}return pool;
}
四、多线程性能优化
4.1 性能优化策略
-
合理设置线程数
- CPU 密集型:线程数 = CPU核心数
- I/O 密集型:线程数 = CPU核心数 * (1 + I/O等待时间/CPU时间)
-
减少锁竞争
- 减小临界区范围
- 使用细粒度锁
- 采用无锁算法
-
数据局部性优化
- 合理使用缓存
- 避免false sharing
- 数据对齐
4.2 常见问题及解决方案
-
死锁预防
- 加锁顺序一致
- 使用超时锁
- 避免嵌套加锁
-
线程安全
- 使用线程局部存储
- 原子操作
- 正确的同步机制
五、调试与测试
5.1 调试工具
- GDB 多线程调试
- Valgrind 内存检查
- perf 性能分析
5.2 测试方法
- 压力测试
- 并发测试
- 内存泄漏检测
总结
多线程编程是一项复杂但必要的技术,需要深入理解并发原理,合理使用同步机制,注意性能优化。通过本文的实例和最佳实践,相信读者能够更好地掌握 Linux 多线程编程技术。
参考资源
- POSIX 线程编程指南
- Linux 系统编程手册
- 多线程设计模式