Linux 应用编程：线程（Thread）详解

在上一章中，我们学习了进程相关的知识，对进程有了一个比较全面的认识和理解。本章将开始学习 Linux 应用编程中非常重要的编程技巧——线程（Thread）。与进程类似，线程是允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。线程参与系统调度，事实上，系统调度的最小单元是线程，而并非进程。虽然线程的概念比较简单，但其所涉及的内容比较多，因此本章篇幅会相对较长。希望大家能够坚持学习，掌握线程编程的核心技巧。

1. 线程的基本概念

1.1 什么是线程？

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间和资源，但每个线程有自己的栈空间和程序计数器。

1.2 线程 VS 进程

为了更好地理解线程，我们可以将线程与进程进行对比。下表展示了线程与进程的主要区别：

特性	进程	线程
定义	程序的一次执行，拥有独立的内存空间	进程中的一个执行单元，共享进程的内存空间
资源占用	较多，每个进程有独立的内存空间	较少，线程共享进程的内存空间
创建与销毁	较慢，涉及资源的分配与回收	较快，只需分配栈空间和程序计数器
上下文切换	较慢，涉及内存空间的切换	较快，只需切换栈和程序计数器
通信	较复杂，通常需要进程间通信（IPC）机制	较简单，可以直接共享内存
独立性	独立，一个进程崩溃不会影响其他进程	依赖，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃

1.3 线程的优点

• 轻量级：线程的创建和销毁比进程更快，占用的资源更少。
• 共享内存：线程之间可以直接共享内存，通信更加高效。
• 并发性：多线程可以充分利用多核 CPU 的性能，提高程序的并发性。

2. 线程标识

在 Linux 中，每个线程都有一个唯一的线程标识符（Thread ID，TID）。线程标识符的类型是 pthread_t，它是一个不透明的数据类型，通常是一个整数或结构体。

2.1 获取线程 ID

可以使用 pthread_self() 函数获取当前线程的 ID。

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

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("Thread ID: %lu\n", (unsigned long)tid);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

2.2 比较线程 ID

可以使用 pthread_equal() 函数比较两个线程 ID 是否相等。

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

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_t tid = pthread_self();
    if (pthread_equal(tid, *(pthread_t*)arg)) {
        printf("This is the main thread.\n");
    } else {
        printf("This is a new thread.\n");
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t main_tid = pthread_self();
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, &main_tid);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

3. 线程创建与回收

3.1 创建线程

在 Linux 中，可以使用 pthread_create() 函数创建线程。

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

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Hello from thread!\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Error: pthread_create() failed\n");
        return 1;
    }
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

3.2 回收线程

线程创建后，可以使用 pthread_join() 函数等待线程结束并回收资源。

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

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread is running...\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread has finished.\n");
    return 0;
}

4. 线程取消

4.1 取消线程

可以使用 pthread_cancel() 函数取消一个线程。

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

void* thread_function(void* arg) {
    while (1) {
        printf("Thread is running...\n");
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(thread);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread has been canceled.\n");
    return 0;
}

4.2 设置取消状态

线程可以通过 pthread_setcancelstate() 和 pthread_setcanceltype() 函数设置取消状态和取消类型。

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

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);
    while (1) {
        printf("Thread is running...\n");
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(thread);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread has been canceled.\n");
    return 0;
}

5. 线程终止

5.1 正常终止

线程可以通过返回或调用 pthread_exit() 函数正常终止。

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

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread is exiting...\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread has exited.\n");
    return 0;
}

5.2 强制终止

不建议使用 pthread_cancel() 强制终止线程，因为这可能导致资源泄漏或数据不一致。

6. 线程分离

6.1 分离线程

可以使用 pthread_detach() 函数将线程设置为分离状态，分离状态的线程在终止时会自动回收资源。

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

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread is running...\n");
    sleep(2);
    printf("Thread is exiting...\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_detach(thread);
    printf("Main thread is running...\n");
    sleep(3);
    printf("Main thread is exiting...\n");
    return 0;
}

6.2 分离状态的影响

分离状态的线程不能被 pthread_join() 回收，因此在使用 pthread_detach() 时需要确保线程的资源能够被正确释放。

7. 总结

本章详细介绍了 Linux 应用编程中的线程（Thread）相关知识，包括线程的基本概念、线程标识、线程创建与回收、线程取消、线程终止以及线程分离。通过本章的学习，你应该能够掌握线程编程的基本技巧，并能够在实际项目中应用这些知识。

线程编程虽然复杂，但它是提高程序并发性和性能的重要手段。希望你能通过不断实践，深入理解线程的工作原理，并能够在实际项目中灵活运用。

加油！