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标题: C语言线程详解，及Linux中的一些相关命令 [打印本页]

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作者: 愛在花開的季節    时间: 2024-9-11 23:53
标题: C语言线程详解，及Linux中的一些相关命令

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以下是关于C语言中线程的具体解说，包含线程的创建、管理、同步、停止等方面的内容，并增加了对线程和历程的区别与接洽的解说，以及相关知识的扩展。同时，添加了Linux中对线程和历程相关操作的命令。
1. 线程的基本概念

• 线程：线程是历程中的一个执行流，多个线程共享同一历程的资源（如内存、文件描述符等），可以并发执行。
  
• 历程：历程是操作体系分配资源的基本单位，每个历程都有自己的地址空间。线程是轻量级的历程。
  

2. 线程与历程的区别与接洽

2.1 区别

• 资源分配：
  
  
  
  • 历程：每个历程都有独立的地址空间和资源，历程之间的通信必要通过IPC（历程间通信）机制，如管道、消息队列、共享内存等。
    
  • 线程：线程共享同一历程的地址空间和资源，线程之间的通信相对简单，可以直接访问共享数据。
    
  
  
• 创建和销毁：
  
  
  
  • 历程：创建和销毁历程的开销较大，因为必要分配和管理独立的资源。
    
  • 线程：创建和销毁线程的开销较小，因为线程共享历程的资源。
    
  
  
• 调治：
  
  
  
  • 历程：操作体系对历程的调治相对复杂，涉及到历程的状态管理和上下文切换。
    
  • 线程：线程的调治相对简单，线程的上下文切换速度更快。
    
  
  
• 稳定性：
  
  
  
  • 历程：一个历程的瓦解不会影响其他历程的运行。
    
  • 线程：一个线程的瓦解可能导致整个历程的瓦解，因为所有线程共享同一历程的资源。
    
  
  

2.2 接洽

• 共享资源：线程是历程的一部分，多个线程可以共享同一历程的资源，如内存和文件描述符。
  
• 并发执行：线程和历程都可以实现并发执行，提升步伐的性能和响应能力。
  
• 调治机制：操作体系对线程和历程的调治机制有相似之处，都是通过调治算法来管理执行。
  

3. 线程的底层实现

线程的底层实现依靠于操作体系的调治和管理机制。差别的操作体系可能会有差别的线程实现方式，但通常包罗以下几个方面：
3.1 线程调治

操作体系利用调治算法来管理线程的执行。常见的调治算法包罗：

• 先来先服务（FCFS）：按照线程到达的次序举行调治。
  
• 时间片轮转（Round Robin）：为每个线程分配一个时间片，时间片用完后切换到下一个线程。
  
• 优先级调治：根据线程的优先级举行调治，高优先级线程优先执行。
  

3.2 线程上下文切换

当操作体系必要切换执行的线程时，会举行上下文切换。上下文切换的过程包罗：

• 保存当前线程的上下文（寄存器、步伐计数器等）。
  
• 加载下一个线程的上下文。
  
• 更新调治信息。
  

上下文切换是一个相对昂贵的操作，频仍的上下文切换会影响步伐的性能。
3.3 线程栈

每个线程都有自己的栈空间，用于存储局部变量、函数参数和返回地址。线程栈的大小可以在创建线程时指定，通常默认大小为1MB。
4. 线程的创建

在C语言中，线程通常通过POSIX线程（pthread）库来创建和管理。以下是创建线程的基本步骤：
4.1 包含头文件

在利用pthread库之前，必要包含相应的头文件：

1. #include <pthread.h>

复制代码

4.2 定义线程函数

线程函数必须返回void*范例，并继承一个void*范例的参数。这个参数可以用来传递数据给线程。

1. void* thread_function(void* arg) {
2.     int* num = (int*)arg; // 将参数转换为整数指针
3.     printf("Thread number: %d\n", *num);
4.     return NULL;
5. }

复制代码

4.3 创建线程

利用pthread_create函数创建线程。该函数的原型如下：

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

复制代码

• thread：指向线程标识符的指针。
  
• attr：线程属性，通常为NULL。
  
• start_routine：线程执行的函数。
  
• arg：传递给线程函数的参数。
  

示例代码：

1. int main() {
2.     pthread_t thread_id;
3.     int thread_num = 1; // 线程参数
4.     pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, &thread_num);
5.     pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束
6.     return 0;
7. }

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5. 线程的同步

由于多个线程可能会同时访问共享资源，因此必要同步机制来避免数据竞争。常用的同步机制包罗：
5.1 互斥锁（Mutex）

互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问该资源。利用互斥锁的步骤如下：

• 初始化互斥锁：
  
  1. pthread_mutex_t mutex;
  2. pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

  复制代码
• 加锁息争锁：
  
  1. pthread_mutex_lock(&mutex);
  2. // 访问共享资源
  3. pthread_mutex_unlock(&mutex);

  复制代码
• 销毁互斥锁：
  
  1. pthread_mutex_destroy(&mutex);

  复制代码

示例代码：

1. #include <stdio.h>#include <pthread.h>
2. pthread_mutex_t mutex;void* thread_function(void* arg) {    pthread_mutex_lock(&mutex);    printf("Thread is accessing shared resource.\n");    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}int main() {    pthread_t thread_id[5];    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);        for (int i = 0; i < 5; i++) {        pthread_create(&thread_id[i], NULL, thread_function, NULL);    }        for (int i = 0; i < 5; i++) {        pthread_join(thread_id[i], NULL);    }        pthread_mutex_destroy(&mutex);
3.     return 0;}

复制代码

5.2 条件变量（Condition Variables）

条件变量用于线程之间的信号传递，允许一个线程等候某个条件的发生。利用条件变量的步骤如下：

• 初始化条件变量：
  
  1. pthread_cond_t cond;
  2. pthread_cond_init(&cond, NULL);

  复制代码
• 等候条件：
  
  1. pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

  复制代码
• 发送信号：
  
  1. pthread_cond_signal(&cond);

  复制代码
• 销毁条件变量：
  
  1. pthread_cond_destroy(&cond);

  复制代码

示例代码：

1. #include <stdio.h>#include <pthread.h>
2. pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_t cond;int ready = 0;void* thread_function(void* arg) {    pthread_mutex_lock(&mutex);    while (!ready) {        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
3.     }    printf("Thread is running after condition is met.\n");    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}int main() {    pthread_t thread_id;    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    pthread_cond_init(&cond, NULL);        pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);        // 模仿一些工作    sleep(1);        pthread_mutex_lock(&mutex);    ready = 1; // 设置条件    pthread_cond_signal(&cond);
4. // 发送信号    pthread_mutex_unlock(&mutex);        pthread_join(thread_id, NULL);    pthread_mutex_destroy(&mutex);
5.     pthread_cond_destroy(&cond);
6.     return 0;}

复制代码

6. 线程的优先级

在C语言中，线程的优先级可以通过pthread_setschedparam函数设置。优先级的管理依靠于操作体系的调治策略。以下是设置线程优先级的示例：

1. #include <pthread.h>
2. #include <sched.h>void* thread_function(void* arg) {    // 线程执行的代码    return NULL;}int main() {    pthread_t thread_id;    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);        struct sched_param param;    param.sched_priority = 10; // 设置优先级    pthread_setschedparam(thread_id, SCHED_FIFO, &param);        pthread_join(thread_id, NULL);    return 0;}

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7. 线程的停止

线程可以通过返回线程函数或调用pthread_exit函数来停止。利用pthread_cancel可以哀求取消线程，但必要注意线程的状态。
7.1 线程退出

1. void* thread_function(void* arg) {
2.     // 执行一些操作
3.     pthread_exit(NULL); // 线程退出
4. }

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7.2 取消线程

1. pthread_cancel(thread_id); // 请求取消线程

复制代码

8. 示例代码

以下是一个完备的示例，展示了怎样创建和利用线程，包罗互斥锁和条件变量的利用：

1. #include <stdio.h>#include <pthread.h>
2. #include <unistd.h>pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_t cond;int ready = 0;void* thread_function(void* arg) {    pthread_mutex_lock(&mutex);    while (!ready) {        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
3.     }    printf("Thread is running after condition is met.\n");    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}int main() {    pthread_t thread_id;    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    pthread_cond_init(&cond, NULL);        pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);        // 模仿一些工作    sleep(1);        pthread_mutex_lock(&mutex);    ready = 1; // 设置条件    pthread_cond_signal(&cond);
4. // 发送信号    pthread_mutex_unlock(&mutex);        pthread_join(thread_id, NULL);    pthread_mutex_destroy(&mutex);
5.     pthread_cond_destroy(&cond);
6.     return 0;}

复制代码

9. Linux中对线程和历程相关操作的命令

9.1 查看历程

• ps aux：查看当前体系中所有历程的信息。
  
• top：实时查看体系中历程的资源利用情况。
  

9.2 查看线程

• ps -eLf：查看体系中所有线程的信息。
  
• top -H：在top命令中表现线程信息。
  

9.3 杀死历程

• kill <pid>：发送信号停止指定历程。
  
• kill -9 <pid>：逼迫停止指定历程。
  

9.4 杀死线程

• 线程通常通过停止其所属的历程来结束，利用kill命令时指定历程ID（PID）即可。
  

9.5 创建历程

• fork()：在C语言中利用fork()体系调用创建新历程。
  

9.6 创建线程

• pthread_create()：在C语言中利用pthread_create()函数创建新线程。
  

10. 总结

C语言中的线程提供了并发执行的能力，通过利用pthread库，可以创建、管理和同步线程。明白线程的基本概念和操作是编写高效多线程步伐的关键。线程与历程的区别在于资源分配、创建和销毁的开销、调治复杂性等方面，而它们之间的接洽则体如今共享资源和并发执行的能力上。线程的底层实现涉及调治、上下文切换和线程栈等方面，掌握这些知识有助于更深入地明白多线程编程的性能和行为。线程的同步机制（如互斥锁和条件变量）是确保数据划一性和避免竞争条件的紧张工具。Linux中提供了多种命令来管理和监控历程与线程，资助开发者更好地举行体系调试和性能优化。

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