Linux多线程编程实现指南

Linux系统提供了强大的多线程编程支持，主要通过POSIX线程库(pthread)来实现。以下是Linux多线程编程的详细实现方法：

1. 基本概念

• 线程：轻量级进程，共享同一进程的地址空间
• 主线程：程序启动时自动创建的线程
• 工作线程：由主线程创建的额外线程

2. 基本步骤

2.1 包含头文件

#include <pthread.h>

2.2 编译时链接线程库

gcc program.c -o program -lpthread

3. 线程创建与管理

3.1 创建线程

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);

示例：

void *thread_function(void *arg) {
    printf("线程运行中\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread_id, NULL);  // 等待线程结束
    return 0;
}

3.2 线程终止

• 从线程函数返回
• 调用pthread_exit()
• 被其他线程取消

void pthread_exit(void *retval);

4. 线程同步

4.1 互斥锁(Mutex)

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);

// 临界区代码

// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

4.2 条件变量(Condition Variables)

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 等待条件
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

// 发送信号
pthread_cond_signal(&cond);  // 唤醒一个线程
pthread_cond_broadcast(&cond);  // 唤醒所有线程

4.3 读写锁(Read-Write Locks)

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

// 读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

// 写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

5. 线程属性

可以设置线程的栈大小、调度策略等属性：

pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
// 更多属性设置...

pthread_create(&thread_id, &attr, thread_function, NULL);

pthread_attr_destroy(&attr);

6. 线程局部存储

每个线程可以有自己的变量副本：

__thread int thread_local_var = 0;

或使用POSIX接口：

pthread_key_t key;

void destructor(void *value) {
    free(value);
}

pthread_key_create(&key, destructor);

// 设置线程特定数据
pthread_setspecific(key, some_value);

// 获取线程特定数据
void *value = pthread_getspecific(key);

7. 线程取消

// 设置取消状态
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);

// 设置取消类型
pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, NULL);

// 取消线程
pthread_cancel(thread_id);

// 设置取消点
pthread_testcancel();

8. 线程池实现示例

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define THREAD_NUM 5

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *worker(void *arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("Thread %ld: 工作完成\n", (long)arg);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[THREAD_NUM];

    // 创建线程池
    for (long i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, worker, (void *)i);
    }

    // 分配任务
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        sleep(1);
    }

    // 清理
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_cancel(threads[i]);
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

9. 最佳实践

1. 避免过度使用线程：线程创建和切换有开销
2. 合理使用同步机制：避免死锁和性能瓶颈
3. 注意资源竞争：共享数据需要保护
4. 考虑线程安全：使用线程安全的库函数
5. 合理设置线程栈大小：默认栈大小可能不够

10. 调试工具

• gdb：支持多线程调试
• valgrind：检测内存泄漏和线程错误
• strace/ltrace：跟踪系统调用和库调用
• top -H：查看线程资源使用情况

通过合理使用这些多线程编程技术，可以在Linux系统上开发出高效、可靠的并发应用程序。