Linux线程编程完全指南：从原理到实践

一、线程基础概念

1.1 什么是线程？

在Linux系统中，线程是轻量级的进程，它们属于某个进程，共享进程的资源，但拥有独立的执行流。

核心特征：

• 进程是系统中最小的资源分配单位

• 线程是系统中最小的执行单位

• 进程中，线程与线程是平级关系

• 进程中默认有一个主线程（main函数所在线程）

1.2 线程与进程的核心区别

1.3 线程的主要作用

1. 并发执行：充分利用多核CPU，提高程序性能

2. 处理耗时任务：将耗时操作放到后台线程，保持界面响应

3. 异步处理：处理I/O密集型任务，避免阻塞主线程

二、线程编程步骤（POSIX标准）

线程编程通常遵循以下步骤：

1. 创建线程 (pthread_create) 2. 线程执行任务 (线程函数) 3. 线程退出 (pthread_exit/return) 4. 线程资源回收 (pthread_join/pthread_detach)

三、线程相关函数详解

3.1 线程创建：pthread_create

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

参数解析：

返回值：

• 成功：返回0

• 失败：返回错误码（非0值）

完整示例：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> // 线程函数 void* thread_func(void* arg) { int thread_num = *(int*)arg; printf("线程%d启动，线程ID: %lu\n", thread_num, pthread_self()); sleep(2); printf("线程%d结束\n", thread_num); return NULL; } int main() { pthread_t tid1, tid2; int arg1 = 1, arg2 = 2; // 创建线程1 if (pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, &arg1) != 0) { perror("线程1创建失败"); return 1; } // 创建线程2 if (pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, &arg2) != 0) { perror("线程2创建失败"); return 1; } // 等待线程结束 pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); printf("主线程结束\n"); return 0; }

3.2 获取线程ID：pthread_self

pthread_t pthread_self(void);

功能：获取当前线程的线程ID

参数：无

返回值：当前线程的ID

示例：

printf("当前线程ID: %lu\n", pthread_self());

线程ID格式化：

• 线程ID类型为pthread_t，通常是无符号长整型

• 打印时使用格式：%lu（unsigned long int）

3.3 线程退出：pthread_exit

void pthread_exit(void *retval);

功能：线程自行退出，不返回调用者

参数：

• retval：线程退出时的返回值（"临死遗言"）

与exit()的区别：

• pthread_exit()只退出当前线程

• exit()退出整个进程

示例：

void* thread_func(void* arg) { int* result = malloc(sizeof(int)); *result = 100; // 方式1：使用pthread_exit退出 pthread_exit(result); // 方式2：使用return退出 // return result; }

3.4 线程取消：pthread_cancel

int pthread_cancel(pthread_t thread);

功能：请求结束指定的线程

参数：

• thread：要取消的线程ID

返回值：

• 成功：返回0

• 失败：返回非0错误码

注意事项：

1. 被取消的线程需要有取消点（如sleep、read、write等系统调用）

2. 线程可以设置取消状态，决定是否响应取消请求

3. 线程被取消后，其资源需要被回收

示例：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_func(void* arg) { printf("线程开始执行，5秒后结束\n"); // 设置线程可被取消 pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL); for (int i = 1; i <= 5; i++) { printf("线程运行中...%d秒\n", i); sleep(1); // 取消点 } printf("线程正常结束\n"); return NULL; } int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); sleep(3); // 主线程等待3秒 // 取消子线程 printf("主线程请求取消子线程\n"); pthread_cancel(tid); // 等待线程结束 pthread_join(tid, NULL); printf("子线程已被取消\n"); return 0; }

3.5 线程回收（阻塞方式）：pthread_join

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

功能：阻塞等待指定线程结束，并回收其资源

参数：

• thread：要回收的线程ID

• retval：接收线程返回值的指针

返回值：

• 成功：返回0

• 失败：返回非0错误码

示例：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> void* thread_func(void* arg) { int* result = malloc(sizeof(int)); *result = 42; // 计算结果 printf("子线程计算结果: %d\n", *result); pthread_exit(result); // 退出并返回结果 } int main() { pthread_t tid; int* thread_result; pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); // 阻塞等待线程结束，并获取返回值 if (pthread_join(tid, (void**)&thread_result) == 0) { printf("主线程收到子线程返回值: %d\n", *thread_result); free(thread_result); // 记得释放内存 } return 0; }

3.6 线程分离：pthread_detach

int pthread_detach(pthread_t thread);

功能：设置线程为分离状态，线程退出后系统自动回收资源

参数：

• thread：要设置的线程ID（通常是自己的ID）

返回值：

• 成功：返回0

• 失败：返回非0错误码

关键特性：

1. 分离后的线程不能被pthread_join回收

2. 线程退出后，系统自动回收栈空间

3. 主线程无需关心分离线程的回收问题

示例：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> void* thread_func(void* arg) { // 设置自己为分离状态 pthread_detach(pthread_self()); printf("分离线程开始执行\n"); sleep(2); printf("分离线程结束，资源将被系统自动回收\n"); return NULL; } int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); // 分离线程后，主线程不需要调用pthread_join sleep(1); printf("主线程继续执行其他任务\n"); sleep(3); // 等待分离线程结束 printf("主线程结束\n"); return 0; }

四、线程编程综合示例

4.1 多线程计算示例

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #define THREAD_COUNT 4 #define ARRAY_SIZE 1000000 int array[ARRAY_SIZE]; long long partial_sum[THREAD_COUNT] = {0}; // 线程函数：计算部分和 void* calculate_partial_sum(void* arg) { int thread_id = *(int*)arg; int start = thread_id * (ARRAY_SIZE / THREAD_COUNT); int end = (thread_id + 1) * (ARRAY_SIZE / THREAD_COUNT); printf("线程%d计算范围: %d ~ %d\n", thread_id, start, end - 1); for (int i = start; i < end; i++) { partial_sum[thread_id] += array[i]; } printf("线程%d部分和: %lld\n", thread_id, partial_sum[thread_id]); return NULL; } int main() { pthread_t threads[THREAD_COUNT]; int thread_ids[THREAD_COUNT]; // 初始化数组 for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) { array[i] = i + 1; } // 创建多个线程 for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { thread_ids[i] = i; if (pthread_create(&threads[i], NULL, calculate_partial_sum, &thread_ids[i]) != 0) { perror("线程创建失败"); return 1; } } // 等待所有线程结束 for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { pthread_join(threads[i], NULL); } // 合并结果 long long total_sum = 0; for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { total_sum += partial_sum[i]; } printf("数组总和: %lld\n", total_sum); printf("预期总和: %lld\n", (long long)ARRAY_SIZE * (ARRAY_SIZE + 1) / 2); return 0; }

4.2 线程安全退出模式

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h> // 全局标志，用于通知线程退出 volatile int exit_flag = 0; void* worker_thread(void* arg) { printf("工作线程启动\n"); while (!exit_flag) { printf("工作线程执行任务...\n"); sleep(1); } printf("工作线程收到退出信号，准备退出\n"); return NULL; } void signal_handler(int sig) { if (sig == SIGINT) { printf("\n收到Ctrl+C信号，通知线程退出\n"); exit_flag = 1; } } int main() { pthread_t tid; // 设置信号处理 signal(SIGINT, signal_handler); // 创建工作线程 if (pthread_create(&tid, NULL, worker_thread, NULL) != 0) { perror("线程创建失败"); return 1; } printf("主线程运行中，按Ctrl+C退出程序\n"); // 等待工作线程退出 pthread_join(tid, NULL); printf("程序正常退出\n"); return 0; }

六、编译与运行

编译时需要链接pthread库：

# 编译命令 gcc -o thread_demo thread_demo.c -pthread # 运行程序 ./thread_demo

总结

本文全面介绍了Linux线程编程的核心概念和关键技术：