深入探索Linux线程操作的函数
1. 引言
Linux作为一种开放源代码的操作系统，广泛应用于服务器、嵌入式设备等各个领域。在Linux中，线程是一种轻量级的执行单位，具有独立的程序计数器和栈空间。Linux提供了一系列函数用于线程的创建、管理和同步。本文将深入探索Linux线程操作的一些重要函数，讨论其使用方法和注意事项。
2. 线程创建函数
在Linux中，线程的创建是通过pthread_create函数实现的。其原型如下：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
该函数接受四个参数：thread表示指向线程标识符的指针，attr表示线程属性，start_routine表示线程函数的起始地址，arg表示传递给线程函数的参数。
pthread_create函数的返回值为0表示成功，否则表示失败。在成功创建线程后，可以通过线程标识符来管理和等待线程的结束。
重要提示：在调用pthread_create创建线程时，需要注意将线程标识符声明为全局变量或者使用malloc分配内存空间，以保证线程在函数返回前不被销毁。
2.1 示例代码
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_func(void* arg) {
int *data = (int*)arg;
printf("Hello from thread! Data = %d\n", *data);
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
pthread_t thread;
int data = 10;
int ret = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, &data);
if (ret != 0) {
printf("Failed to create thread\n");
return 1;
}
printf("Hello from main!\n");
pthread_join(thread, NULL);
return 0;
}
上述示例代码中，通过pthread_create创建了一个线程，并传递了参数data给线程函数thread_func。在线程函数中，打印了接收到的参数data，并通过pthread_exit函数退出线程。
在主线程中，打印了一条Hello from main!的消息，并通过pthread_join函数等待线程的结束。
编译并运行该程序，可以看到以下输出：
Hello from main!
Hello from thread! Data = 10
可以看到，线程函数和主函数是并发执行的，线程函数中获取到了传递的参数data并打印出来。
3. 线程同步函数
在多线程编程中，线程同步是一个重要的概念。Linux提供了多个函数用于实现线程的同步和互斥。
3.1 pthread_mutex_t - 互斥锁
互斥锁是一种最基本的线程同步机制，用于保护共享资源的访问。Linux中使用pthread_mutex_t类型的变量表示互斥锁，使用pthread_mutex_init初始化互斥锁，使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock进行加锁和解锁。
以下是互斥锁的使用示例代码：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int counter = 0;
void* thread_func(void* arg) {
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
counter++;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
printf("Counter value: %d\n", counter);
return 0;
}
上述示例代码中，通过pthread_mutex_t变量mutex保护了共享资源counter的访问。在线程函数中，通过pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock对mutex进行加锁和解锁，从而确保了对counter的原子操作。
在主函数中，创建了两个线程分别执行线程函数thread_func，然后等待两个线程结束并销毁互斥锁。最后打印了counter的值。
编译并运行该程序，可以看到以下输出：
Counter value: 200000
可以看到，由于互斥锁的存在，counter的值被正确地累加到了200000。
3.2 pthread_cond_t - 条件变量
条件变量是另一种常用的线程同步机制，用于在满足特定条件时等待或唤醒线程。Linux中使用pthread_cond_t类型的变量表示条件变量，使用pthread_cond_init进行初始化，使用pthread_cond_wait和pthread_cond_signal进行等待和唤醒。
以下是条件变量的使用示例代码：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int value = 0;
void* thread1_func(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (value != 1) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
printf("Thread 1: Value is 1\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_exit(NULL);
}
void* thread2_func(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
value = 1;
printf("Thread 2: Value is set to 1\n");
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_create(&thread1, NULL, thread1_func, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread2_func, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;
}
上述示例代码中，通过pthread_cond_t变量cond和互斥锁mutex实现了一个简单的线程通信。在线程1中，通过pthread_cond_wait等待value的值变为1。在线程2中，通过pthread_cond_signal向线程1发送信号。
在主函数中，创建了两个线程分别执行线程函数thread1_func和thread2_func，然后等待两个线程结束并销毁互斥锁和条件变量。
编译并运行该程序，可以看到以下输出：
Thread 2: Value is set to 1
Thread 1: Value is 1
可以看到，线程1在value的值变为1之前一直处于等待状态，当线程2修改value的值并发出信号后，线程1被唤醒并继续执行。
4. 线程属性
在创建线程时，可以通过设置线程属性来控制线程的行为。Linux提供了pthread_attr_t类型的变量用于保存线程属性，以及一系列函数用于设置和获取线程属性。
4.1 线程栈大小
线程的栈大小决定了线程可以使用的栈空间大小。默认情况下，线程栈的大小是操作系统决定的，但是可以通过pthread_attr_setstacksize函数设置线程栈的大小。
以下是设置线程栈大小的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_func(void* arg) {
char buffer[1024];
printf("Thread stack size: %ul\n", (unsigned long)buffer);
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
pthread_t thread;
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setstacksize(&attr, 1024 * 1024);
pthread_create(&thread, &attr, thread_func, NULL);
pthread_join(thread, NULL);
return 0;
}
上述示例代码中，通过pthread_attr_setstacksize函数将线程栈的大小设置为1MB。在线程函数中，使用一个1024字节的缓冲区，并打印出缓冲区的地址，以及通过pthread_exit退出线程。
主函数中，初始化了线程属性attr，并通过pthread_create创建了一个线程，然后等待线程的结束。
编译并运行该程序，可以看到以下输出：
Thread stack size: xxxxxxxx
可以看到，输出的线程栈地址与设置的缓冲区地址相同，说明线程栈的大小确实被设置为1MB。
4.2 线程分离状态
线程的分离状态决定了线程结束后是否能够被其他线程回收资源。默认情况下，线程是非分离状态的，可以通过pthread_attr_setdetachstate函数设置线程的分离状态。
以下是设置线程分离状态的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_func(void* arg) {
printf("Thread is running\n");
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
pthread_t thread;
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&thread, &attr, thread_func, NULL);
pthread_attr_destroy(&attr);
printf("Thread created\n");
sleep(2);
printf("Main thread exits\n");
return 0;
}
上述示例代码中，通过pthread_attr_setdetachstate函数将线程的分离状态设置为PTHREAD_CREATE_DETACHED。在线程函数中，打印出一条线程正在运行的消息，并通过pthread_exit退出线程。
主函数中，初始化了线程属性attr，并通过pthread_create创建了一个线程。然后销毁线程属性attr，打印出一条线程创建的消息，并通过sleep函数让主线程休眠2秒，最后打印出一条主线程退出的消息。
编译并运行该程序，可以看到以下输出：
Main thread exits
可以看到，主线程退出后，并没有等待线程的结束。这是因为线程被设置为分离状态，一旦线程结束，它所占用的资源会被系统自动回收，无需其他线程显式调用pthread_join来等待。
5. 总结
本文深入探索了Linux线程操作的一些重要函数，包括线程的创建、线程的同步和线程属性的设置。在多线程编程中，合理地使用这些函数能够提高程序的性能和稳定性。
通过pthread_create函数可以创建线程，并传递参数给线程函数。我们可以通过互斥锁pthread_mutex_t和条件变量pthread_cond_t来实现线程的同步和通信。同时，了解线程的属性pthread_attr_t可以对线程的行为进行更加精细的控制。
希望本文能够对读者理解并掌握Linux线程操作的函数有所帮助。