【Linux篇】程控制全揭秘：如何通过 POSIX 库管理线程的生命周期

线程的神秘面纱：如何利用线程优化程序性能与响应能力 线程控制是多线程编程中的核心部分，它涉及如何创建、管理、终止和同步线程。操作系统通过线程控制提供对线程生命周期的管理，以确保多个线程能够高效、安全地执行。使用POSIX线程库（pthread）是实现线程控制的常见方式，它提供了一系列函数来创建线程、获取线程信息、同步线程以及处理线程终止和取消等问题。线程控制不仅能帮助程序员优化资源使用，还能提升程序的响应速度和并发能力。本节将深入探讨线程控制的各个方面，包括线程创建、终止、取消、等待、分离等操作，帮助读者理解如何在实际编程中灵活控制线程的行为，提升程序的并发性和稳定性。

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一 线程

站在不同的用户角度线程的说法也不同，在用户角度，就称为线程；在操作系统角度称为轻量级进程(也叫做lwp）。

• 查看轻量级进程指令如下：

ps -aL | head -1 && ps -aL | grep mythread

上述LWP就是轻量级进程，LWP也有自己的tid。

1.1 基本概念

线程（Thread）是操作系统进行任务调度和执行的基本单位，它是比进程（Process）更小的独立运行的单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，例如内存和文件描述符。线程是CPU的调度基本单位，能够独立执行代码块。

1.2 线程控制

1.2.1 POSIX线程库

• 引入背景

操作系统中只认识轻量级进程，而用户只认线程，操作中并没有线程概念，为了两者统一，使用中间层（POSIX库）来解决问题，该库通过封装与LWP相关的系统调用，来创建线程。

1.2.2 创建线程

• 函数原型：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(start_routine)(void), void *arg);

• 功能： 创建一个新的线程。
• 参数：

1. pthread_t *thread：输出参数，用于存储新创建线程的唯一标识符（ID）。
2. const pthread_attr_t *attr：指定线程属性（如栈大小、分离状态、调度策略等）。若设为 NULL，使用默认属性。
3. void (start_routine)(void)：新线程执行的入口函数。要求：函数签名必须为 void func(void*)。 返回值通常为 NULL（成功）或错误码（需转换为 void*）。
4. void *arg：传递给线程函数的参数。

• 返回值： 成功：返回 0。失败：返回错误码（需通过 strerror(err) 转换为可读信息）。
• 示例代码：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void* print_message(void* arg) {
    pthread_t id =pthread_self();
    printf("子线程id: %ld\n",id);
    char* msg = (char*)arg;
    printf("Thread says: %s\n", msg);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    char* message = "Hello from thread!";
    
    // 创建线程（使用默认属性）
    if (pthread_create(&tid, NULL, print_message, message) != 0) {
        perror("Failed to create thread");
        return 1;
    }

    pthread_t id =pthread_self();//获取线程id
    printf("主线程id: %ld\n",id);

    // 主线程继续执行
    printf("Main thread continues...\n");
    
    // 等待子线程结束（避免主线程提前退出）
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}
}

• 输出结果：

主线程id: 140160581412672 Main thread continues… 子线程id: 140160581408512 Thread says: Hello from thread!

从输出结果中可以看到两个线程的id值不同，同时非常大，这个id值是pthread库维持的，本质它是进程地址空间上的一个地址。这个 “ID” 作⽤域是进程级⽽⾮系统级（内核不认识）。

1.2.3 线程终止

• 函数原型：

void pthread_exit(void *value_ptr);

• 功能：

用于使调用线程终止执行，并且可以选择性地返回一个值给其他线程。

• 参数：

1. 参数 retval：指向线程返回值的指针。该值可通过 pthread_join 函数被其他线程获取。若无需返回值，可设为 NULL。注意：retval 必须指向全局变量或堆内存（如 malloc 分配），不可指向线程栈内存。线程退出后栈内存可能被回收，导致其他线程访问悬空指针。栈内存只有自己能看到，其它函数栈帧不可访问。

• 返回值：

函数本身无返回值，调用后线程立即终止，后续代码不再执行。

• 实力代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

// 线程函数：计算字符串长度并返回
void* str_len_thread(void* arg) {
    const char* str = (const char*)arg;
    size_t len = strlen(str);
    // 分配堆内存存储结果
    size_t* result = (size_t*)malloc(sizeof(size_t));
    *result = len;
    pthread_exit(result); // 返回堆内存指针
}

int main() {
    pthread_t tid;
    const char* text = "Hello, pthread_exit!";
    
    // 创建线程
    if (pthread_create(&tid, NULL, str_len_thread, (void*)text) != 0) {
        perror("pthread_create failed");
        return 1;
    }

    // 等待线程结束并获取返回值
    void* retval;
    if (pthread_join(tid, &retval) != 0) {
        perror("pthread_join failed");
        return 1;
    }

    // 输出结果并释放堆内存
    printf("String length: %zu\n", *(size_t*)retval);
    free(retval);//释放堆内存
    return 0;
}

该程序是创建一个新线程并使用该线程来计算main栈帧里面的字符串的长度，并返回给主线程，这个返回值通过pthread_join函数获取。

1.2.4 线程取消

• 函数原型：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

• 功能：

用于请求取消目标线程的函数。它向指定线程发送取消请求，但目标线程是否响应请求取决于其自身的取消状态和类型。

• 参数： thread：要取消的目标线程的线程标识符（通过 pthread_create 返回）。
• 返回值： 成功：返回 0。失败：返回错误码（如 ESRCH 表示线程不存在，EINVAL 表示无效参数）。
• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* thread_func(void* arg) {
    printf("Thread started. Working...\n");
    // 模拟长时间运行的任务（非取消点）
    while (1) {
        sleep(1);
        printf("Working...\n");
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);

    sleep(2); // 等待线程运行
    pthread_cancel(tid); // 发送取消请求

    void* retval;
    pthread_join(tid, &retval); // 等待线程终止

    if (retval == PTHREAD_CANCELED) {//线程被取消是，会返回PTHREAD_CANCELED宏值
        printf("Thread was canceled.\n");
    } else {
        printf("Thread exited normally.\n");
    }

    return 0;
}

输出结果：

Thread started. Working… Working… Thread was canceled.

该实例展示了，主线程创建新线程，主线程睡眠2秒，新线程每隔1秒进行工作，主线程2秒后取消新线程。

1.2.5 线程等待

• 等待原因：

线程结束时，相应的资源仍在地址空间中，新线程不会使用未释放资源的空间，造成资源浪费。

• 函数原型：

int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

• 功能： 用于等待目标线程终止并获取其返回值。资源回收：若目标线程未分离（未调用 pthread_detach），pthread_join 会回收其资源（如栈内存、线程描述符），避免僵尸线程。调⽤该函数的线程将挂起等待,直到id为thread的线程终⽌。
• 参数：

1. thread：要等待的线程标识符（通过 pthread_create 返回）。
2. value_ptr：输出参数，用于接收目标线程的返回值（通过 pthread_exit 或线程函数返回）。若无需返回值，可设为 NULL。

• 返回值： 成功：返回 0。失败：返回错误码（如 ESRCH 表示线程不存在，EDEADLK 表示死锁，EINVAL 表示无效参数）。
• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

// 线程函数：计算1到N的和并返回
void* sum_thread(void* arg) {
    int n = *(int*)arg;
    int sum = 0;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        sum += i;
    }
    // 返回堆内存指针（需外部释放）
    int* result = (int*)malloc(sizeof(int));
    *result = sum;
    pthread_exit(result);
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int n = 10;

    // 创建线程
    if (pthread_create(&tid, NULL, sum_thread, &n) != 0) {
        perror("pthread_create failed");
        return 1;
    }

    // 等待线程结束并获取返回值
    void* retval;
    if (pthread_join(tid, &retval) != 0) {
        perror("pthread_join failed");
        return 1;
    }

    // 输出结果并释放堆内存
    int sum = *(int*)retval;
    printf("Sum of 1 to %d: %d\n", n, sum);
    free(retval);
    return 0;
}

该示例主线程创建新线程完成1至N的累加，新线程并通过pthread_exit()函数将结果返回，主线程通过pthread_join()函数获取新线程的返回状态。

1.2.6 线程分离

• 函数原型：

int pthread_detach(pthread_t thread);

• 功能：

用于分离目标线程的核心函数。分离后的线程在终止时会自动回收资源，无需通过 pthread_join 手动回收。

• 参数 ：

thread：要分离的线程标识符（通过 pthread_create 返回）。

• 返回值：

成功：返回 0。失败：返回错误码（如 ESRCH 表示线程不存在，EINVAL 表示无效参数）。

• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 线程函数：后台任务（无需返回值）
void* background_task(void* arg) {
    printf("Background thread started. Working...\n");
    sleep(2); // 模拟耗时操作
    printf("Background thread finished.\n");
    return NULL; // 返回值无法被获取
}

int main() {
    pthread_t tid;
    // 创建线程并立即分离
    if (pthread_create(&tid, NULL, background_task, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create failed");
        return 1;
    }

    if (pthread_detach(tid) != 0) {
        perror("pthread_detach failed");
        return 1;
    }

    // 主线程继续执行其他任务
    printf("Main thread continues...\n");
    sleep(3); // 确保子线程有机会运行
    return 0;
}

该实例主线程创建新线程后，分离线程，睡眠3秒保证子线程可以正常运行自己的代码。注意：主线程运行完毕，子线程并不会立即退出，分离的子线程会继续运行，直到进程终止或自身结束。

1.3 线程优点与缺点

• 优点
• 提高资源利用率：线程可以共享进程的内存空间和文件描述符等资源，避免了进程间通信（IPC）的开销。通过多线程，可以更有效地利用CPU资源，特别是在等待I/O操作时，其他线程可以继续执行，从而提高整体吞吐量。
• 提高响应速度： 多线程程序可以同时处理多个任务，使得用户界面更加流畅，响应速度更快。例如，在图形用户界面（GUI）应用程序中，一个线程可以处理用户输入，而另一个线程可以执行后台任务，如文件操作或网络通信。
• 简化编程模型： 线程提供了更自然的编程模型，使得并发编程更加简单。开发者可以更容易地编写和调试并发程序，而无需处理复杂的进程间通信和同步机制。
• 支持并发执行： 线程是轻量级的，创建和销毁线程的开销相对较小。这使得线程成为实现高并发应用程序的理想选择，如Web服务器、数据库服务器等。
• 缺点
• 增加编程复杂度： 虽然线程简化了并发编程模型，但多线程程序仍然比单线程程序更复杂。开发者需要处理线程同步、死锁、竞态条件等问题，这增加了编程的难度和出错的可能性。
• 资源竞争和同步开销： 当多个线程同时访问共享资源时，可能会发生资源竞争，导致数据不一致或程序崩溃。为了避免这些问题，需要使用同步机制（如互斥锁、信号量等），但这些机制本身也会带来一定的开销。
• 调试和测试困难： 多线程程序的调试和测试比单线程程序更加困难。由于线程的执行顺序不确定，很难重现和调试特定的错误场景。
• 对操作系统和硬件的依赖： 线程的实现和调度依赖于操作系统和硬件的支持。不同操作系统和硬件平台上的线程行为可能有所不同，这增加了跨平台开发的复杂性。

1.4 线程异常

• 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃
• 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

1.5 线程用途

1.5.1 线程的基本用途

• 并发执行：

线程允许程序同时执行多个任务，从而充分利用多核处理器的计算能力，提高CPU的利用率和程序的执行效率。例如，在Web服务器中，可以同时处理多个客户端请求，每个请求由一个独立的线程处理，从而显著提高服务器的并发能力和响应速度。

• 提高响应速度：

在需要快速响应的用户界面（如GUI应用程序）中，线程可以确保用户界面保持流畅，即使后台有耗时的任务在执行。例如，一个线程可以专门处理用户输入，而另一个线程则执行文件操作或网络通信等后台任务，从而避免用户界面卡顿。

• 资源共享：

线程共享进程的内存空间和文件描述符等资源，这减少了进程间通信（IPC）的开销，并促进了数据在任务间的共享。例如，在多线程应用程序中，多个线程可以访问和修改同一个全局变量或共享数据结构，而无需进行复杂的进程间通信。

1.5.2 线程的高级用途

• 异步处理：

通过线程实现异步操作，可以在不阻塞主线程的情况下执行耗时任务，从而提高程序的响应性和用户体验。例如，在图形用户界面（GUI）应用程序中，可以使用一个单独的线程来执行文件下载或网络请求等耗时操作，而主线程则继续处理用户输入和界面更新。

• 分布式计算：

将任务分配给多个线程，利用多核处理器的优势进行并行计算，可以显著加速大规模数据处理和复杂计算任务。例如，在科学计算、图像处理和机器学习等领域，多线程并行计算已成为提高计算速度和效率的重要手段。

• 实时系统：

在需要实时响应的系统中，线程可以确保关键任务及时执行，满足系统的实时性要求。例如，在嵌入式系统、实时操作系统（RTOS）和工业自动化控制等领域，线程被广泛应用于实现实时任务调度和响应。

1.5.3 线程在特定领域的应用

• Web服务器：

Web服务器使用多线程来处理多个客户端请求，每个请求由一个独立的线程处理。这提高了服务器的并发能力和响应速度，使得服务器能够同时处理大量请求。

• 图形处理：

在图形处理领域，多线程并行计算被广泛应用于加速图像渲染、视频编码和解码等任务。通过将图像数据分割成多个块，并分配给不同的线程进行处理，可以显著提高图形处理的速度和效率。

• 科学计算：

科学计算领域经常需要处理大规模的数据集和复杂的计算任务。多线程并行计算可以显著加速这些任务的执行速度，提高计算效率。例如，在气候模拟、基因测序和物理模拟等领域，多线程并行计算已成为不可或缺的工具。

1.6 线程 VS 进程

总的来说，进程是操作系统的基本执行单位，而线程是进程内的执行单元。线程通常用于实现多任务并发和提高程序的效率，而进程则适用于需要较强隔离性和独立性的任务。

二. 最后

本文系统阐述线程技术：线程是CPU调度的基本单位，共享进程资源，通过POSIX库实现创建、终止、取消、等待和分离等操作。其优势在于提升资源利用率、响应速度和并发能力，但需应对同步复杂度和死锁风险。线程适用于异步处理、分布式计算及Web服务等领域，与进程相比具有更轻量、通信更高效的特点，但进程崩溃独立性更强。文章还分析了线程异常对进程的影响及多线程编程的注意事项，为开发者提供了全面的技术参考。