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深入理解Linux中的线程控制：多线程编程的实战技巧

news 来源：原创 2025/4/21 6:20:45

个人主页：chian-ocean

文章专栏-Linux

前言：

POSIX线程（Pthreads） 是一种在 POSIX 标准下定义的线程库，它为多线程编程提供了统一的接口，主要用于 UNIX 和类 UNIX 系统（如 Linux、MacOS 和 BSD 等）。POSIX 线程（Pthreads）允许程序在多个处理器上并行运行，从而提高应用程序的性能，尤其在多核处理器环境中。

在这里插入图片描述

监控线程的bash

while :; do ps -aL | head -1 ; ps -aL | grep thread ; sleep 1;done

线程的控制

  • 与线程有关的函数构成了⼀个完整的系列，绝⼤多数函数的名字都是以pthread_打头的
  • 要使⽤这些函数库，要通过引⼊头⽂ pthread.h
  • 链接这些线程函数库时要使⽤编译器命令的“-lpthread”选项

线程的创建(pthread_create)

在这里插入图片描述

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

参数解析：

  1. pthread_t *thread：指向 pthread_t 类型的变量，这个变量将存储新线程的 ID。
  2. const pthread_attr_t *attr：指向 pthread_attr_t 类型的指针，它包含了新线程的属性（如栈大小、调度策略等）。如果传入 NULL，则使用默认属性。
  3. void *(*start_routine)(void *)：这是一个指向线程执行函数的指针，该函数接收一个 void* 类型的参数，并返回 void* 类型的结果。
  4. void *arg：这是传递给 start_routine 函数的参数，允许你向线程传递数据。

示例：

#include<iostream>  
#include<unistd.h>     
#include<pthread.h>    using namespace std;    // 线程函数
void* mythread(void* args)
{// 创建一个循环，子线程会打印 6 次for(int i = 0; i < 6; i++) {sleep(1);                // 让线程睡眠 1 秒钟，模拟任务的执行cout << "Child Thread" << endl;  // 打印“Child Thread”，表示子线程在运行}return nullptr;
}// 主函数
int main()
{pthread_t tid;   // 定义一个线程ID变量// 创建子线程，线程的执行函数是 mythread，其他参数为默认值pthread_create(&tid, nullptr, mythread, nullptr);// 主线程执行，循环 6 次for(int i = 0; i < 6; i++) {cout << "Main Thread" << endl; // 打印“Main Thread”，表示主线程在运行sleep(1);                // 让主线程睡眠 1 秒钟}// 等待子线程完成执行pthread_join(tid, nullptr);  // 阻塞等待 tid 线程执行完毕return 0;  // 程序正常退出
}
  • pthread_create()：用于创建一个新的线程，mythread 是新线程的执行函数。该函数接受参数 nullptr，表示没有传递任何参数给线程。
  • pthread_join(tid, nullptr)：等待线程 tid 执行完成，pthread_join 阻塞主线程，直到子线程执行完毕。

打印结果：

在这里插入图片描述

线程退出

pthread_join

在这里插入图片描述

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
参数说明：
  • pthread_t thread：要等待结束的线程 ID。
  • void **retval：用于存储线程返回值的指针。如果不需要返回值，可以将其设置为 NULL。
功能描述：
  • pthread_join() 函数使得调用该函数的线程（通常是主线程）阻塞，直到指定的线程（由 thread 参数指定）执行完毕。
  • 当线程结束后，系统会回收该线程的资源。如果 retval 不为 NULL，线程的返回值将被存储在 retval 指向的位置。
示例：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>using namespace std;// 子线程的执行函数
void* mythread(void*args)
{// 循环6次，每次打印一次信息，并且每次暂停1秒for(int i = 0 ; i < 6 ;i++) {sleep(1);  // 休眠1秒钟cout << "Child Thread is running ...." << endl;  // 输出子线程运行的提示}// 返回一个值100，并强制转换为 void* 类型return (void*)100;
}int main()
{pthread_t tid;  // 定义一个线程ID变量// 创建子线程，传入 mythread 函数作为线程执行的函数，参数为 nullptrpthread_create(&tid, nullptr, mythread, nullptr);// 主线程运行6次，每次输出一次信息，并且每次暂停1秒for(int i = 0 ; i < 6 ;i++) {cout << "Main Thread is running .." << endl;  // 输出主线程运行的提示sleep(1);  // 休眠1秒钟}void* retval;  // 声明一个指向 void 的指针，用于接收子线程的返回值// 等待子线程结束，并将子线程的返回值存储到 retval 中pthread_join(tid, &retval);// 输出子线程的返回值，将其强制转换为整数类型并输出cout << (int64_t)retval << endl;  // 输出子线程的返回值，转换为整数return 0;
}
程序流程：
  1. 并发输出：主线程和子线程的输出交替进行，打印在终端上时会交替显示 “Main Thread is running …” 和 “Child Thread is running …”。
  2. 同步：主线程通过 pthread_join() 等待子线程完成，并获取子线程的返回值。
  3. 线程返回值：子线程通过 return (void*)100 返回一个 void* 类型的值，主线程通过 pthread_join() 捕获该返回值并输出。

打印：

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pthread_exit

在这里插入图片描述

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
参数说明：
  • retval：这是一个指针，线程退出时可以返回的值。该值可以被其他线程通过 pthread_join 获取，用来传递线程的退出状态或其他信息。
  • 注意：retval 可以是任何类型的指针，通常是一个线程退出的状态信息。
示例：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>using namespace std;void* mythread(void* args)  // 线程函数
{// 子线程执行的操作，循环输出 "Child Thread is running ...."for (int i = 0; i < 6; i++) {sleep(1);  // 每次休眠1秒cout << "Child Thread is running ...." << endl;}// 输出结束前的信息cout << "Child  Pthread_exit" << endl;// 使用 pthread_exit 显式退出线程并返回一个状态码 100pthread_exit((void*)100);// 这一行代码不会被执行到，因为 pthread_exit 已经退出线程return (void*)100;
}int main() 
{pthread_t tid;  // 声明一个线程标识符// 创建线程pthread_create(&tid, nullptr, mythread, nullptr);// 主线程执行的操作for (int i = 0; i < 6; i++) {cout << "Main Thread is running .." << endl;sleep(1);  // 每次休眠1秒}// 主线程休眠，确保子线程有时间执行sleep(8);  // 等待子线程执行完毕// 主线程结束前输出信息cout << "main return " << endl;return 0;  // 程序结束
}
程序流程：
  • 程序运行时，子线程和主线程会交替输出 “Child Thread is running …” 和 “Main Thread is running …”。
  • 主线程执行完成它的循环后，调用 sleep(8) 来等待子线程的执行。此时，子线程已经执行完它的循环，并通过 pthread_exit 显式退出。
  • 由于没有在主线程中调用 pthread_join()，主线程并没有等待子线程完成，它只是通过 sleep(8) 暂停一段时间，确保子线程有足够的时间结束。

打印：

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pthread_cancal

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#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
参数说明：
  • pthread_t thread：目标线程的线程 ID（TID），即你希望取消的线程。
功能描述：
  • pthread_cancel 用于向指定的线程发送取消请求。调用此函数后，目标线程会接收到取消请求，并在合适的时机响应取消请求。
返回值：
  • 返回 0 表示成功，其他返回值表示失败，通常是因为无法取消线程（如线程已经结束等）。
示例：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<vector>
#include<string>
using namespace std;// Hex函数，用于将整数转换为十六进制字符串
string Hex(int data)
{char buff[1034] = {0};// snprintf用于将整数data转换为十六进制字符串snprintf(buff,sizeof(buff),"0x%x",data);return buff;
}// 线程函数，打印每个线程的整数值
void* mythread(void* args)
{// 将传入的参数指针转换为整型指针int* i = (int*)args;while(true) // 无限循环，模拟线程的持续运行{sleep(1);  // 每次休眠1秒cout << "thread: " << *i  << endl;  // 输出线程ID（即传递给线程的值）}return (void*)100;  // 返回一个指针类型的值，通常线程退出时返回状态
}int main()
{// 定义一个 vector 来存储线程IDvector<pthread_t> th;// 创建4个线程for(int i = 0; i < 4; i++){pthread_t tid;  // 定义一个线程ID变量// 创建线程，将线程ID、线程函数（mythread）以及传递给线程的参数（i的地址）传入pthread_create(&tid, nullptr, mythread, &i);// 将线程ID添加到线程容器中th.push_back(tid);}cout << "ready calcel" << endl;sleep(3);  // 休眠3秒，等待线程输出// 取消每个创建的线程for(int i = 0; i < th.size(); i++){cout <<"calcel: thread "  << i <<endl;  // 输出正在取消的线程编号pthread_cancel(th[i]);  // 取消对应的线程}sleep(1);  // 稍等1秒，确保线程能够响应取消请求cout << "main return "<<endl;  // 输出主线程返回信息return 0;  // 程序结束
}
程序流程：

  • ** 主线程创建子线程：**主线程使用 pthread_create() 创建 4 个子线程，每个子线程打印传递给它的整数值（即循环中的 i），并在每秒打印一次。

  • **线程输出：**每个线程在无限循环中每秒输出 thread: <value>，其中 <value> 是它收到的整数（传递给线程的 i）。

  • **主线程等待：**主线程在创建完线程后，休眠 3 秒，允许线程输出信息。

  • **取消线程：**主线程在 3 秒后调用 pthread_cancel() 来取消所有 4 个线程，每个线程被取消后，它会终止执行（线程的退出取决于它们在什么地方被取消）。

  • **程序结束：**主线程输出 "main return" 并结束，程序执行完毕。

打印：

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线程分离

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#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);

参数：

  • thread：要设置为分离状态的线程 ID。

功能描述

  • 功能描述：pthread_detach 用于将一个线程设置为 分离状态。当线程被设置为分离状态后，线程在完成执行时会自动释放资源，而不需要其他线程显式地调用 pthread_join() 来清理线程资源。

示例：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<vector>
#include<string>
using namespace std;// Hex函数：将整数转换为十六进制字符串
string Hex(int data)
{char buff[1034] = {0};snprintf(buff, sizeof(buff), "0x%x", data);  // 将整数以十六进制格式转换成字符串return buff;
}// 线程函数
void* mythread(void* args)
{pthread_detach(pthread_self());  // 将当前线程设置为分离状态int* i = (int*)args;  // 将传入的参数指针转换为整型指针int n = 3;// 循环打印线程编号（传递给线程的值），共打印3次while(n--){sleep(1);  // 每次循环休眠1秒cout << "thread: " << *i << endl;  // 输出线程的编号}return (void*)100;  // 线程返回值
}int main()
{vector<pthread_t> th;  // 用于存储线程ID的容器cout << "线程的创建" << endl;// 创建4个线程for(int i = 0; i < 4; i++){pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, mythread, &i);  // 创建线程并传递 i 的地址作为参数th.push_back(tid);  // 将创建的线程ID加入到线程容器中}sleep(10);  // 主线程休眠10秒，确保所有子线程能运行完cout << "main return " << endl;return 0;  // 主程序结束
}

程序执行流程：

  1. 主线程通过 pthread_create 创建 4 个子线程，每个子线程都会执行 mythread 函数。
  2. 每个子线程会打印 3 次其编号（线程的参数），并在每次打印后休眠 1 秒。
  3. 主线程休眠 10 秒，以确保子线程有足够的时间打印信息。
  4. 每个子线程在完成执行后会自动退出并释放资源，因为它们是分离线程（调用了 pthread_detach）。
  5. 主线程输出 “main return” 并结束。

打印：

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  • 以上的代码没有实现同步，可能会导致错乱打印。

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