线程

引入背景:

• 进程并发开销大（需拷贝整个地址空间）
• 进程间通信代价高（需第三方内核空间）
  解决: 在进程地址空间内实现任务并发 → 线程（轻量级进程）

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线程定义与特点

定义:

• 进程内的执行路径（分支）
• 共享进程地址空间
  类比: 进程如树，主线程（main）为主干，子线程为分支

特点:

1. 创建开销小: 无需拷贝进程地址空间
2. 通信高效: 线程间直接共享进程内存
3. 动态状态:
   • 就绪态 (ready)
   • 运行态 (running)
   • 阻塞态 (blocking)

线程函数原型:

typedef void *(*start_routine_t)(void *);  // 函数指针类型  
void *thread_func(void *arg) { /* 线程指令 */ }

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线程 API（POSIX Thread）

创建线程

#include <pthread.h>  
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,  
                   void *(*start_routine)(void *), void *arg);  
/*  
@描述: 创建新线程  
@thread: 存储线程 ID  
@attr: 线程属性（NULL 为默认）  
@start_routine: 线程执行函数  
@arg: 传递给线程函数的参数  
@return: 成功返回 0，失败返回 -1  
*/

线程退出方式

1. 函数返回:

   void *thread_func(void *arg) {  
       return NULL;  // 线程结束  
   }

2. 主动退出:

   void pthread_exit(void *retval);  
   /*  
   @retval: 线程返回值指针  
   */

3. 被动取消:

   int pthread_cancel(pthread_t thread);  
   /*  
   @thread: 目标线程 ID  
   @return: 成功返回 0  
   */

   取消属性控制:

   int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);  
   /*  
   @state:  
     PTHREAD_CANCEL_ENABLE（可取消）  
     PTHREAD_CANCEL_DISABLE（不可取消）  
   */

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线程资源管理

资源分离属性

• 分离状态 (detached):
  • 线程结束自动释放资源
  • 设置方式:

    int pthread_detach(pthread_t thread);

• 非分离状态 (joinable):
  • 需其他线程调用 pthread_join 回收资源

资源回收函数

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);  
/*  
@描述: 阻塞等待线程结束并回收资源  
@thread: 目标线程 ID  
@retval: 存储线程返回值的二级指针  
@return: 成功返回 0  
*/

获取线程 ID

pthread_t pthread_self(void);  // 返回当前线程 ID

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线程同步机制

互斥锁 (pthread_mutex_t)

初始化与销毁:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);  
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

attr=NULL 时使用默认属性（初始状态为解锁）

上锁操作 (P 操作):

函数	行为
pthread_mutex_lock	阻塞等待直到获取锁
pthread_mutex_trylock	非阻塞尝试，失败立即返回
pthread_mutex_timedlock	限时阻塞等待

解锁操作 (V 操作):

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

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条件变量 (pthread_cond_t)

作用: 表示特定事件/条件，实现线程间同步
初始化与销毁:

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);  
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

等待条件:

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);  
/*  
@描述: 阻塞等待条件触发  
@cond: 条件变量指针  
@mutex: 保护条件变量的互斥锁  
*/  

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex,  
                           const struct timespec *abstime);  // 限时等待

触发条件:

函数	行为
pthread_cond_signal	唤醒一个等待线程
pthread_cond_broadcast	唤醒所有等待线程

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生产者-消费者模型

核心逻辑:

1. 生产者线程: 生成任务存入缓冲区
2. 消费者线程: 从缓冲区取出任务执行
3. 同步机制:
   • 互斥锁: 保护缓冲区访问
   • 条件变量:
     • 缓冲区空 → 消费者等待 (pthread_cond_wait)
     • 生产者添加任务 → 触发条件 (pthread_cond_signal)

关键问题:

• 缓冲区无数据时，消费者应等待而非轮询（避免 CPU 浪费）

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作业

实现生产者-消费者模型代码：

1. 创建生产者线程生成任务
2. 创建消费者线程执行任务
3. 使用互斥锁和条件变量同步线程