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在编程中,多线程能够同时进行多个任务,这极大地提高了程序的效率。然而,在深入理解多线程之前,我们需要先了解其基础——进程和线程的关系。
进程是运行中的程序,是操作系统分配资源的基本单位。每启动一个程序,操作系统会为它创建一个进程控制块(PCB),这是进程的唯一标识。例如,在Linux下,进程可以视为task_struct
结构体。
在Linux系统中,线程是通过模拟轻量级进程来实现的,即线程在内核层被看作轻量级进程。这样设计使得线程比传统的进程更加高效,但同样需要有进程来管理资源分配和调度。每个进程至少包含一个线程(线程组),而进程内部可以包含多个线程。线程和进程的关系可以理解为:线程是资源(如CPU调度)的基本单位,而进程则是资源分配的基本单位。
多线程应用程序中,线程之间共享一些资源,但也有一些独有的资源。
共享数据:
SIG_IGN
、SIG_DFL
或自定义信号处理函数)独有数据:
_errno
)由于每个线程都有自己的PCB,多线程程序能够在不同的时间点为每个线程分配CPU资源,从而避免了栈深度过大的问题。
多线程的使用在CPU密集型或IO密集型应用中都有其优势。以下是多线程的主要优缺点:
在Linux系统中,由于没有真正的线程模型,实现多线程控制需要依赖线程库(例如pthread
)。这些库提供了一套接口,用于线程的创建、终止、等待和分离等操作。
使用pthread_create
函数创建线程。该函数的参数包括:
thread
:存储线程ID的整数attr
:线程属性结构体,通常置NULL
start_routine
:线程入口函数arg
:传递给线程的参数线程可以在其入口函数返回时退出,或者在主线程调用pthread_exit
终止。可以使用pthread_cancel
取消指定线程,但应谨慎操作,因为这可能产生僵尸线程。
使用pthread_join
函数等待线程退出。此时,如果线程的joinable
属性被保留,资源将被合理释放,避免僵尸线程的出现。
通过pthread_detach
函数将线程的joinable
属性修改为SINGLE threaded Detach
,使其退出后自动释放资源。分离线程后,使用pthread_join
将无法获取线程的返回值。
多线程程序需要确保多个线程访问共享资源时的正确性,这可以通过同步机制实现。常用的方法包括互斥锁和条件变量。
为了实现线程安全,常用以下技术:
互斥锁确保在同一时间内只有一个线程可以访问共享资源。常用的实现方式包括:
pthread_mutex
)CRITICAL_SECTION
)条件变量用于线程间的同步和唤醒。常见实现方式如下:
pthread_cond
)这些机制结合使用,可以实现线程安全,确保多线程程序的正确性。
通过上述知识,我们可以清晰地理解多线程的概念及其控制方式。这对于开发高效且健壮的多线程应用程序至关重要。
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