嵌入式与Linux（五）：Linux线程

姓名：王央京    学号：18050100052   学院：电子工程学院

转自：https://blog.csdn.net/qq_22847457/article/details/89371217

【嵌牛导读】本文介绍了Linux线程的相关信息

【嵌牛鼻子】Linux线程

【嵌牛提问】在了解Linux系统后，能否具体介绍线程的概念？

【嵌牛正文】

类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。一个进程可以有多个线程，这个进程本身也叫做线程只不过是主线程。通常主线程分配任务给子线程做。程序设计时候就可以某一时刻不止做一件事情，每一个线程处理各自独立的任务。

多个线程可以访问相同的存储地址空间和文件描述符。同一进程内的线程共享以下数据：全局内存、进程指令、打开的文件、信号处理函数和信号处置、当前工作目录、用户ID和用户组ID、大多数数据。每个线程有各自的线程ID、寄存器集合（包括程序计数器和栈指针）、栈、errono、信号掩码、优先级。

线程的优点有提高程序并发性、开销小和数据通信、共享数据方便等。线程的缺点有库函数不稳定、调试编写困难、gdb不支持、对信号支持不好等。除此之外，多线程内如果其中一个线程出现了 除0、野指针 等问题会造成该线程崩溃，进而导致整个进程终止。同时，线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出。

从上述分析来看，线程的优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。

线程有一套完整的与其有关的函数库调用，它们中的绝大多数函数名都以pthread_开头。为了使用这些函数库调用，我们必须定义宏_REENTRANT，在程序中包含头文件pthread.h，并且在编译程序时需要用选项-lpthread来链接线程库。其中常用的函数库如下：

1.  pthread_self函数获取线程ID，其作用对应进程中getpid()函数。

2.  pthread_create函数创建一个新线程，其作用对应进程中fork()函数。

3.  pthread_exit函数将单个线程退出，其作用对应进程中exit()函数

4.  pthread_join函数阻塞等待线程退出，获取线程退出状态其作用，对应进程中waitpid()函数。

5.  pthread_cancel函数杀死(取消)线程其作用，对应进程中kill()函数。

6.  pthread_detach函数实现线程分离。

首先有一点要清楚，Linux程序启动默认有一个主进程(有人叫它主线程)，入口是main()，当你创建一个线程后，这个线程只在线程入口函数里面运行，跟主进程没有关系了，主进程可以继续运行接用户指令。

没有主线程和从线程的说法哦，看你要做什么了。

.线程的基本介绍

(1)线程的概述

线程与进程类似，也允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程，同一程序中的所有线程共享同一份全局内存区域，线程之间没有真正意义的等级之分。同一个进程中的线程可以并发执行，如果处理器是多核的话线程也可以并行执行，如果一个线程因为等待I/O *** 作而阻塞，那么其他线程依然可以继续运行

(2)线程优于进程的方面

argv,environ

主线程栈

线程3的栈

线程2的栈

线程1的栈

共享函数库共享的内存

堆

未初始化的数据段

初始化数据段

文本

.进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间通讯，在进程之间交换信息

.调用fork()来创建进程代价相对较高

线程很好的解决了上述俩个问题

.线程之间能够方便，快速的共享信息，只需将数据复制到共享（全局或堆）变量中即可

.创建线程比创建线程通常要快10甚至更多，线程创建之所以快，是因为fork创建进程时所需复制多个属性，而在线程中，这些属性是共享的。

(3)创建线程

启动程序时，产生的进程只有单条线程，我们称之为主线程

#include<pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread,const pthread_attr_t *attr,void*(*start)(void *),void *arg)12

新线程通过调用带有arg的函数开始执行，调用pthread_create()的线程会继续执行该调用之后的语句。

(4)终止线程

可以以如下方式终止线程的运行

.线程调用pthread_exit()

.线程start函数执行return语句并返回指定值

.调用pthread_cancel()取消线程

.任意线程调用了exit(),或者主线程执行了return语句，都会导致进程中的所有线程立即终止

pthread_exit()函数可以终止线程，且其返回值可由另一线程通过调用pthread_join()获得

#include<pthread.h>void pthread_exit(void *retval)12

调用pthread_exit()相当于在线程的start函数中执行return,不同之处在于，pthread_exit()可以在任何地方调用，参数retval指定了线程的返回值

(5)获取线程ID

#include<pthread.h>pthread_t pthread_self(void)12

线程ID在应用程序中主要有如下用途

.不同的pthreads函数利用线程ID来标识要 *** 作目标线程。

.在具体的应用程序中，以特定线程的线程ID作为动态数据结构的标签，这颇有用处，既可用来识别某个数据结构的创建者或属主线程，又可确定随后对该数据结构执行 *** 作的具体线程

函数pthread_equal()可检查俩个线程的ID是否相同

#include<pthread.h>int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2)//如果相同返回非0值，否则返回0123

(6)连接已终止的线程

函数pthread_join()等待由thread表识的线程终止

#include<pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread,void **retval)//返回0调用成功，否则失败123

如果pthread_join()传入一个之前已然连接过的线程ID，将会导致无法预知的行为，当相同线程ID在参与一次连接后恰好为另一新建线程所重用，再度连接的可能就是这个新线程

若线程未分离，则就应该使用pthread_join()来连接线程，否则会产生僵尸线程

pthrea_join()函数的要点

.线程之间的关系是对等的，所以任意线程都可以调用pthread_join()来连接其他线程

.pthread_join()无法针对任意线程，只能连接单个线程

(6)线程的分离

默认情况下线程都是可连接的，但有时候，我们并不关心线程退出的状态，我们可以调用pthread_detach()并向thread参数传入指定线程的的标识符，将该线程标记为处于分离状态

#include<pthread.h>int pthread_detach(pthread_t thread)//返回0成功，否则失败123

一旦线程处于分离状态，就不能在使用pthread_join()来获取其状态，也无法使其重返可连接状态

(7)在应用程序中如何来选择进程还是线程

.线程之间共享数据很简单，进程间的数据共享需要更多的投入

.创建线程要比创建进程块很多

.多线程编程时，需要确保调用线程安全的函数

.某个线程中的bug可能会危害进程中所有线程

.每个线程都在征用宿主进程中有限的虚拟地址空间

.在多线程应用中，需要小心使用信号

.除了数据，线程还可以共享文件描述符，信号处置，当前工作目录，以及用户ID和组ID

线程的同步

(1)保护共享变量访问：互斥量

线程的主要优势在于能够通过全局变量来共享信息，不过这种共享是有代价的。必须确保多个线程修改同一变量时，不会有其他线程也正在修改此变量，为避免线程更新时共享变量时所出现的问题，必须使用互斥量来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源

(2)静态分配的互斥锁

互斥锁既可以像静态变量那样分配，也可以在运行时动态分配，互斥量属于pthread_mutex_t类型的变量，在使用之前必须对其初始化。对于静态分配的互斥量而言，可如下例所示，将PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER赋给互斥量

pthread_mutex_t = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER1

1.加锁和解锁互斥量

初始化之后，互斥量处于未锁定状态。函数pthread_mutex_lock()可以锁定某一互斥量

而函数pthread_mutex_unlock()则可以将一个互斥量解锁

#include<pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)//返回0成功，其他失败1234

要锁定互斥量，在调用pthread_mutex_lock()时需要指定互斥量，如果互斥量当前处于未锁定状态，则该调用将会立即返回，如果该互斥量已被其他线程锁定，那么该调用将会阻塞，直至互斥量被解锁

函数pthread_mutex_unlock()将解锁之前已遭调用线程锁定的互斥量

2.互斥量的性能

通常情况下，线程会花费更多的时间去做其他工作，对互斥量的加锁解锁相对要少的多，因此使用互斥量对大部分程序来说性能并无显著的影响

3.互斥量的死锁

当一个线程需要同时访问多个共享资源时，没个资源由不同的互斥索管理。当超过一个线程加锁同一组互斥量时，就有可能发生死锁。如下图所示

线程A

1.pthread_mutex_lock(mutex1)

2.pthread_mutex_lock(mutex2)

线程2

1.pthread_mutex_lock(mutex2)

2.pthread_mutex_lock(mutex1)

每个线程都成功的锁住一个互斥量，接着试图对以为另一线程锁定的互斥量加锁，就会一直等下去

要避免此类死锁问题，最简单的就是定义互斥量的层级关系

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