linux多线程编程的知识点有哪些

Linux多线程编程是系统编程的核心内容之一，涉及以下关键知识点：

1. 线程基础概念

• 线程 vs 进程：线程是轻量级进程，共享同一进程的地址空间、文件描述符等资源，切换成本更低。
• 线程共享与私有：
  • 共享：全局变量、堆内存、文件描述符、静态变量。
  • 私有：线程ID、寄存器、栈、errno、信号掩码。

2. POSIX线程库（pthread）

• 头文件：#include <pthread.h>
• 编译选项：gcc -pthread 或 gcc -lpthread。

3. 线程生命周期管理

• 创建线程： c int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

• 终止线程：

  • 线程函数返回（隐式终止）。
  • 调用 pthread_exit(void *retval)。
  • 被其他线程取消（pthread_cancel）。

• 等待线程结束：

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

• 分离线程（避免资源泄漏）： c pthread_detach(pthread_t thread);

4. 线程同步机制

互斥锁（Mutex）

• 初始化/销毁： c pthread_mutex_init(&mutex, NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex);
• 加锁/解锁： c pthread_mutex_lock(&mutex); // 阻塞 pthread_mutex_trylock(&mutex); // 非阻塞 pthread_mutex_unlock(&mutex);

条件变量（Condition Variable）

• 用于线程间事件通知： c pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件（自动释放锁） pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒一个等待线程 pthread_cond_broadcast(&cond); // 唤醒所有等待线程

读写锁（Read-Write Lock）

• 允许多读单写： c pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 读锁 pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 写锁

自旋锁（Spinlock）

• 忙等待锁，适用于短临界区： c pthread_spin_lock(&spinlock);

屏障（Barrier）

• 同步多个线程到达某一点： c pthread_barrier_wait(&barrier);

5. 线程安全与可重入函数

• 线程安全函数：可被多线程同时调用（如使用互斥锁保护）。
• 可重入函数：不依赖静态数据或全局变量（如 strtok_r 是 strtok 的可重入版本）。

6. 线程局部存储（TLS）

• 每个线程独享的变量： c __thread int tls_var; // GCC扩展 或 pthread_key_create(&key, destructor); pthread_setspecific(key, value);

7. 线程取消（Cancellation）

• 取消点：系统调用（如 sleep）、手动设置 pthread_testcancel()。
• 取消类型：
  • 延迟取消（默认，仅在取消点响应）。
  • 异步取消（立即终止，危险）。

8. 线程属性

• 设置栈大小、分离状态等： c pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setstacksize(&attr, 1024*1024); // 1MB栈 pthread_create(&thread, &attr, func, NULL);

9. 信号处理

• 多线程中信号由进程共享，建议：
  • 主线程统一处理信号（pthread_sigmask 屏蔽其他线程）。
  • 使用 sigwait 同步处理信号。

10. 常见问题与调试

• 竞态条件：未同步访问共享资源。
• 死锁：互斥锁嵌套、循环等待。
• 工具：
  • valgrind --tool=helgrind 检测数据竞争。
  • gdb 调试多线程（info threads、thread <id>）。

11. 现代替代方案

• C++标准库：std::thread、std::mutex（需C++11及以上）。
• 协程（Coroutine）：轻量级用户态线程（如libco、Boost.Coroutine）。

示例：生产者-消费者模型

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
Queue queue;

void* producer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        queue.push(item);
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (queue.empty()) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        Item item = queue.pop();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        process(item);
    }
}

掌握这些知识点后，可以进一步学习线程池设计、无锁编程（如原子操作）、多核并行优化（OpenMP）等高级主题。