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语言中线程的详细讲解，包含线程的创建、管理、同步、终止等方面的内容，并增加了对线程和进程的区别与联系的讲解，以及相关知识的扩展。同时，添加了Linux中对线程和进程相关操作的命令。

1. 线程的基本概念

• 线程：线程是进程中的一个执行流，多个线程共享同一进程的资源（如内存、文件描述符等），可以并发执行。
• 进程：进程是操作系统分配资源的基本单位，每个进程都有自己的地址空间。线程是轻量级的进程。

2. 线程与进程的区别与联系

2.1 区别

1. 资源分配：

   • 进程：每个进程都有独立的地址空间和资源，进程之间的通信需要通过IPC（进程间通信）机制，如管道、消息队列、共享内存等。
   • 线程：线程共享同一进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。

2. 创建和销毁：

   • 进程：创建和销毁进程的开销较大，因为需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，因为线程共享进程的资源。

3. 调度：

   • 进程：操作系统对进程的调度相对复杂，涉及到进程的状态管理和上下文切换。
   • 线程：线程的调度相对简单，线程的上下文切换速度更快。

4. 稳定性：

   • 进程：一个进程的崩溃不会影响其他进程的运行。
   • 线程：一个线程的崩溃可能导致整个进程的崩溃，因为所有线程共享同一进程的资源。

2.2 联系

• 共享资源：线程是进程的一部分，多个线程可以共享同一进程的资源，如内存和文件描述符。
• 并发执行：线程和进程都可以实现并发执行，提升程序的性能和响应能力。
• 调度机制：操作系统对线程和进程的调度机制有相似之处，都是通过调度算法来管理执行。

3. 线程的底层实现

线程的底层实现依赖于操作系统的调度和管理机制。不同的操作系统可能会有不同的线程实现方式，但通常包括以下几个方面：

3.1 线程调度

操作系统使用调度算法来管理线程的执行。常见的调度算法包括：

• 先来先服务（FCFS）：按照线程到达的顺序进行调度。
• 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。
• 优先级调度：根据线程的优先级进行调度，高优先级线程优先执行。

3.2 线程上下文切换

当操作系统需要切换执行的线程时，会进行上下文切换。上下文切换的过程包括：

1. 保存当前线程的上下文（寄存器、程序计数器等）。
2. 加载下一个线程的上下文。
3. 更新调度信息。

上下文切换是一个相对昂贵的操作，频繁的上下文切换会影响程序的性能。

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

在使用pthread库之前，需要包含相应的头文件：

#include <pthread.h>

4.2 定义线程函数

线程函数必须返回void*类型，并接受一个void*类型的参数。这个参数可以用来传递数据给线程。

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

4.3 创建线程

使用pthread_create函数创建线程。该函数的原型如下：

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

• 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：

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

5. 线程的同步

由于多个线程可能会同时访问共享资源，因此需要同步机制来避免数据竞争。常用的同步机制包括：

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。使用互斥锁的步骤如下：

1. 初始化互斥锁：

   pthread_mutex_t mutex;
   pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
   

2. 加锁和解锁：

   pthread_mutex_lock(&mutex);
   // 访问共享资源
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   

3. 销毁互斥锁：

   pthread_mutex_destroy(&mutex);
   

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>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);return 0;
}

5.2 条件变量（Condition Variables）

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

1. 初始化条件变量：

   pthread_cond_t cond;
   pthread_cond_init(&cond, NULL);
   

2. 等待条件：

   pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
   

3. 发送信号：

   pthread_cond_signal(&cond);
   

4. 销毁条件变量：

   pthread_cond_destroy(&cond);
   

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.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);}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);// 模拟一些工作sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex);ready = 1; // 设置条件pthread_cond_signal(&cond); // 发送信号pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_join(thread_id, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

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。优先级的管理依赖于操作系统的调度策略。以下是设置线程优先级的示例：

#include <pthread.h>
#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;
}

7. 线程的终止

线程可以通过返回线程函数或调用pthread_exit函数来终止。使用pthread_cancel可以请求取消线程，但需要注意线程的状态。

7.1 线程退出

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

7.2 取消线程

pthread_cancel(thread_id); // 请求取消线程

8. 示例代码

以下是一个完整的示例，展示了如何创建和使用线程，包括互斥锁和条件变量的使用：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#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);}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);// 模拟一些工作sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex);ready = 1; // 设置条件pthread_cond_signal(&cond); // 发送信号pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_join(thread_id, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

9. Linux中对线程和进程相关操作的命令

9.1 查看进程

• ps aux：查看当前系统中所有进程的信息。
• top：实时查看系统中进程的资源使用情况。

9.2 查看线程

• ps -eLf：查看系统中所有线程的信息。
• top -H：在top命令中显示线程信息。

9.3 杀死进程

• kill <pid>：发送信号终止指定进程。
• kill -9 <pid>：强制终止指定进程。

9.4 杀死线程

• 线程通常通过终止其所属的进程来结束，使用kill命令时指定进程ID（PID）即可。

9.5 创建进程

• fork()：在C语言中使用fork()系统调用创建新进程。

9.6 创建线程

• pthread_create()：在C语言中使用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，通过使用pthread库，可以创建、管理和同步线程。理解线程的基本概念和操作是编写高效多线程程序的关键。线程与进程的区别在于资源分配、创建和销毁的开销、调度复杂性等方面，而它们之间的联系则体现在共享资源和并发执行的能力上。线程的底层实现涉及调度、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理解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）是确保数据一致性和避免竞争条件的重要工具。Linux中提供了多种命令来管理和监控进程与线程，帮助开发者更好地进行系统调试和性能优化。