深入理解Linux 系统中的线程结构-猿码集

1. 线程结构的基本概念

在Linux系统中，线程是一种轻量级的执行单元，它是进程中的一部分，共享同一个进程的资源。线程与进程的最大区别在于线程共享了同一个地址空间和文件描述符等资源，因此线程间通信更加高效。理解Linux系统中的线程结构对于开发者来说非常重要，可以帮助开发者更好地利用多线程编程来提高系统性能。

2. 线程的创建和销毁

2.1 线程创建

我们可以使用pthread库来创建线程：


#include <pthread.h>
void *start_routine(void *arg) {
    /* 线程执行的代码 */
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    /* 主线程执行的代码 */
    pthread_exit(NULL);
}

在上面的代码中，我们通过调用pthread_create函数来创建一个线程。该函数接受四个参数，第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数为线程属性，如果设置为NULL，则使用默认属性，第三个参数为线程执行的函数，最后一个参数为传递给线程函数的参数。

2.2 线程销毁

线程的销毁可以通过调用pthread_join函数来实现：


#include <pthread.h>
void *start_routine(void *arg) {
    /* 线程执行的代码 */
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    /* 主线程执行的代码 */
    pthread_join(thread, NULL);
    pthread_exit(NULL);
}

在上面的代码中，主线程通过调用pthread_join函数等待线程结束。该函数接受两个参数，第一个参数为待等待的线程标识符，第二个参数为指向线程返回值的指针，如果不关心返回值，可以设置为NULL。

3. 线程的状态

线程在生命周期中会经历不同的状态，包括就绪、运行和阻塞等。

3.1 就绪状态

当一个线程被创建后，它处于就绪状态等待系统调度执行：


#include <pthread.h>
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，主线程通过调用pthread_join函数等待线程结束。在调用pthread_join函数之前，线程处于就绪状态。

3.2 运行态

当线程被系统调度后，它进入运行态开始执行：


#include <pthread.h>
void *start_routine(void *arg) {
    while (1) {
        /* 线程执行的代码 */
    }
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，线程通过一个无限循环来模拟长时间运行。线程会一直处于运行态，直到满足退出条件。

3.3 阻塞态

当线程遇到某些阻塞操作时，它会进入阻塞态等待操作完成：


#include <pthread.h>
void *start_routine(void *arg) {
    /* 线程执行的代码 */
    sleep(5); /* 线程阻塞等待5秒 */
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，线程通过调用sleep函数来模拟阻塞操作。当线程睡眠期间，它处于阻塞态。

4. 线程同步

在多线程编程中，线程间的同步非常重要，可以通过各种同步机制来实现线程间的协调和共享数据的安全访问。

4.1 互斥锁

互斥锁是最常用的线程同步机制，它可以保护临界区的代码，使得同一时间只有一个线程可以进入：


#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex; /* 定义互斥锁 */
void *start_routine(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex); /* 加锁 */
    /* 临界区的代码 */
    pthread_mutex_unlock(&mutex); /* 解锁 */
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); /* 初始化互斥锁 */
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex); /* 销毁互斥锁 */
    return 0;
}

在上面的代码中，我们通过pthread_mutex_t类型的变量mutex来定义互斥锁，并使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock函数来加锁和解锁。只有获得锁的线程才能执行临界区的代码。

4.2 条件变量

条件变量是一种线程间的通信机制，它可以用于线程的等待和唤醒操作：


#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex; /* 定义互斥锁 */
pthread_cond_t cond; /* 定义条件变量 */
void *start_routine(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    /* 等待条件满足 */
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    /* 条件满足后继续执行 */
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); /* 初始化互斥锁 */
    pthread_cond_init(&cond, NULL); /* 初始化条件变量 */
    pthread_create(&thread, NULL, start_routine, NULL);
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    /* 满足条件后唤醒等待的线程 */
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_join(thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex); /* 销毁互斥锁 */
    pthread_cond_destroy(&cond); /* 销毁条件变量 */
    return 0;
}

在上面的代码中，我们通过pthread_cond_t类型的变量cond来定义条件变量，并使用pthread_cond_wait和pthread_cond_signal函数来等待条件满足和唤醒等待的线程。

5. 线程调度

Linux系统中，线程调度是由内核负责的，内核会根据线程的优先级和调度策略来决定线程的调度顺序。

5.1 线程优先级

线程可以通过设置优先级来影响调度顺序，优先级范围从0到99，数字越小，优先级越高：


#include <pthread.h>
int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_attr_t attr1, attr2;
    pthread_attr_init(&attr1);
    pthread_attr_init(&attr2);
    pthread_attr_setinheritsched(&attr1, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
    pthread_attr_setinheritsched(&attr2, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
    struct sched_param param1, param2;
    param1.sched_priority = 1;
    param2.sched_priority = 99;
    pthread_attr_setschedparam(&attr1, &param1);
    pthread_attr_setschedparam(&attr2, &param2);
    pthread_create(&thread1, &attr1, start_routine, NULL);
    pthread_create(&thread2, &attr2, start_routine, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，我们通过pthread_attr_t类型的变量attr1和attr2来设置线程的属性，包括继承调度属性和设置调度参数。通过设置不同的调度参数，我们可以达到控制线程优先级的目的。

5.2 线程调度策略

线程调度策略可以通过pthread_attr_setschedpolicy函数来设置，默认的调度策略为SCHED_OTHER，还可以选择SCHED_FIFO和SCHED_RR等调度策略：


#include <pthread.h>
int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);
    struct sched_param param;
    param.sched_priority = 1;
    pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);
    pthread_create(&thread, &attr, start_routine, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，我们通过pthread_attr_setschedpolicy函数将线程调度策略设置为SCHED_FIFO，并设置调度参数的优先级为1。

总结

本文深入理解了Linux系统中线程的结构和相关概念，包括线程的创建和销毁、线程的状态、线程同步以及线程调度等。了解这些知识对于开发者来说非常重要，可以帮助开发者更加高效地利用多线程编程来提升系统性能。

深入理解Linux 系统中的线程结构