Linux多线程编程实战指南-猿码集

1. 引言

多线程编程是Linux操作系统中非常重要的一部分，能够充分利用多核处理器的性能，提高程序的并发能力和响应速度。本文将介绍Linux多线程编程的实战指南，探讨如何编写高效、稳定的多线程程序。

2. 线程创建与销毁

2.1 线程创建

在Linux下创建线程主要使用pthread库函数，如下：


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

pthread_create()函数用于创建一个新线程，参数thread是指向线程ID的指针，attr是线程属性，start_routine是线程函数，arg是传递给线程函数的参数。

以下是一个简单的线程创建的示例：


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *thread_func(void *arg) {
    int value = *(int *)arg;
    printf("Received value: %d\n", value);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid;
    int arg_value = 10;
    
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, &arg_value);
    pthread_join(tid, NULL);
    
    return 0;
}

在上面的示例中，main函数创建了一个新线程，并将参数10传递给线程函数thread_func。线程函数将接收到的参数打印出来，然后返回。

2.2 线程销毁

线程的销毁使用pthread库函数pthread_join，如下：


int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

pthread_join()函数用于等待指定线程的结束，并且获取线程的返回值。参数thread是要等待的线程ID，retval用于获取线程的返回值。

以下是一个简单的线程销毁的示例：


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *thread_func(void *arg) {
    printf("Child thread running\n");
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid;
    
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    printf("Main thread waiting for child thread to exit\n");
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("Child thread has exited\n");
    return 0;
}

在上面的示例中，main函数创建了一个新线程，并等待新线程结束。等待结束后，打印出"Child thread has exited"。

3. 线程同步与互斥

3.1 互斥锁

互斥锁是一种常用的线程同步机制，用于保护共享资源，防止多个线程同时修改造成数据不一致的情况。在Linux下使用pthread库的互斥锁，如下：


#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

使用pthread_mutex_lock()函数可以锁住互斥锁，保护共享资源，阻止其他线程访问。使用pthread_mutex_unlock()函数可以释放互斥锁，允许其他线程访问共享资源。

以下是一个简单的使用互斥锁的示例：


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int shared_value = 0;
void *thread_func(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    shared_value++;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);
    
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    
    printf("Shared value: %d\n", shared_value);
    return 0;
}

在上面的示例中，main函数创建两个并发线程，它们同时对shared_value变量进行递增操作。通过互斥锁保护共享资源，确保线程安全。

3.2 条件变量

条件变量是一种线程同步的工具，用于线程之间的通信和协调。在Linux下使用pthread库的条件变量，如下：


#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

使用pthread_cond_wait()函数使线程等待某个条件变量满足，pthread_cond_signal()函数用于唤醒等待在条件变量上的线程，pthread_cond_broadcast()函数用于唤醒所有等待在条件变量上的线程。

以下是一个简单的使用条件变量的示例：


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int condition = 0;
void *thread_func(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (condition == 0) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    printf("Condition satisfied\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid;
    
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    condition = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

在上面的示例中，main函数创建一个等待条件满足的线程。线程函数中使用pthread_cond_wait()函数等待条件变量满足。main函数在改变条件变量的值并调用pthread_cond_signal()函数唤醒等待线程后，打印出"Condition satisfied"。

4. 线程池

4.1 线程池的设计

线程池是一种管理多线程的机制，用于优化线程的创建和销毁的开销，提高线程的复用性。一个线程池通常包含一个任务队列和线程池管理器。

任务队列用于存放多个任务，每个任务包含一个线程函数和对应的参数。当需要执行任务时，线程池管理器从任务队列中取出一个任务，创建一个新线程来执行任务。

以下是一个简单的线程池的设计：


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#define MAX_THREADS 10
#define MAX_TASKS 100
pthread_t threads[MAX_THREADS];
int task_count = 0;
typedef struct {
    void *(*start_routine) (void *);
    void *arg;
} task_t;
task_t task_queue[MAX_TASKS];
void *thread_func(void *arg) {
    task_t *task;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (task_count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        task = &task_queue[task_count - 1];
        task_count--;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        task->start_routine(task->arg);
        free(task);
    }
    return NULL;
}
void pool_init() {
    int i;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    
    for (i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, NULL);
    }
}
void pool_submit(void *(*start_routine) (void *), void *arg) {
    task_t *task = malloc(sizeof(task_t));
    task->start_routine = start_routine;
    task->arg = arg;
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    task_queue[task_count] = *task;
    task_count++;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void pool_destroy() {
    int i;
    for (i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
}

在上面的示例中，创建一个具有10个线程的线程池，线程池的任务队列容量为100。pool_init()函数用于初始化线程池，pool_submit()函数用于提交任务给线程池，pool_destroy()函数用于销毁线程池。

5. 总结

本文介绍了Linux多线程编程的实战指南，包括线程的创建与销毁、线程同步与互斥、线程池的设计等内容。了解并掌握多线程编程是提升程序并发性和响应速度的关键。希望本文对读者有所帮助。

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