【Linux】深入理解线程控制

2025-04-27 00:01:35 1 阅读

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深入理解线程控制

一、线程等待的原理
二、线程的局部存储
三、初步理解线程互斥
- 1、互斥的概念
- 2、需要互斥的原因

一、线程等待的原理

pthread_join的作用是线程等待，其中retval参数传递线程退出状态的原理是：当目标线程结束时，pthread_join 会将目标线程的退出状态（即线程函数的返回值或 pthread_exit 传递的参数）存储在 *retval 所指向的内存位置，也就是说，pthread_join 会修改 retval 所指向的那个 void * 类型变量的值

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int g_val = 100;

void *threadRoutine(void *args)
{
	//参数是线程名字，转化成字符串
    const char *name = (const char *)args;
    int cnt = 5;
    while (true)
    {
    	//线程打印线程pid，以及全局变量g_val和它的地址
        printf("%s, pid: %d, g_val: %d, &g_val: 0X%p
"
        				, name, getpid(),g_val, &g_val);
        sleep(1);
        cnt--;
        if (cnt == 0)
            break;
    }
	//线程退出，返回指针100
    pthread_exit((void *)100);
}

int main()
{
    pthread_t pid;
	//主线程id，线程属性设为无，新线程函数，新线程参数
    pthread_create(&pid, nullptr, threadRoutine, (void *)"Thread 1");

    void *ret;
	//等待新线程结束，获得新线程的返回值
    pthread_join(pid, &ret);
    //打印线程返回值，这里强转为long long int是因为我的Linux是64位
    //指针是八字节大小，long long int是八字节
    cout << "main thread quit..., Thread 1 return val: " << (long long int)ret << endl;
    return 0;
}

这给我们证明了，新线程的输出型参数是可以被主线程取到的，并且全局变量是可以被所有线程访问的，是共享资源，所以全局函数也是可以被所有线程访问的

&ret接受退出状态的具体过程：
当调用 pthread_join 时，pthread_join 会阻塞当前线程，直到由 thread 参数指定的目标线程终止，一旦目标线程终止，pthread_join 会将该线程调用 pthread_exit 时传递的 void* 指针（即退出状态）赋值给 &ret 所指向的 void* 变量，即ret，pthread_join 成功完成等待和状态获取后，会返回 0，表示操作成功，当前线程可以继续执行后续代码

二、线程的局部存储

全局变量是被所有线程共享的，如果我们的线程需要有自己的私有的东西，也就是只能够自己访问，其他线程不能访问的，我们可以在全局变量前加关键字__thread修饰，这是编译器为我们提供的只能用来修饰内置类型的关键字

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

#define NUM 3

int *p = nullptr;
//线程局部存储
__thread int val = 100;

class ThreadInfo
{
public:
    ThreadInfo(const string &threadname)
    :threadname_(threadname)
    {}

public:
    string threadname_;
};

string toHex(pthread_t tid)
{
    char buffer[64];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%p", tid);
    return buffer;
}

void *threadroutine(void *args)
{
    int i = 0;
    ThreadInfo *ti = static_cast<ThreadInfo*>(args);
    //线程循环，每次打印线程名称、线程ID、进程ID、被修饰变量val以及val地址
    while(i < 10)
    {
        cout << ti->threadname_.c_str() << " is running, tid: " << toHex(pthread_self()) << ", pid: " << getpid()  << ", val: " << val << ", &val: " << &val << endl;
        i++;
        val++;
        usleep(10000);
    }
	delete ti;
    return nullptr;
}

int main()
{
    vector<pthread_t> tids;
    for(int i = 0; i < NUM; i++)
    {
        pthread_t tid;
        ThreadInfo *ti = new ThreadInfo("Thread-"+to_string(i));
        pthread_create(&tid, nullptr, threadroutine, ti);

        tids.push_back(tid);
        usleep(1000);
    }
	//线程等待
    for(auto tid:tids)
    {
        pthread_join(tid, nullptr);
    }
    return 0;
}

我们通过观察可以发现，在相同线程的情况下，val的值是递增的，但对于不同的线程之间val值是没有关系的，所以我们就通过关键字__thread实现了线程的局部存储，这些属于每个线程的val的地址在线程的独立栈中

三、初步理解线程互斥

1、互斥的概念

临界资源：多线程执行流共享的资源叫做临界资源
临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码
互斥：任何时刻，有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源（对临界资源起保护作用）
原子性：不会被任何调度机制打断的操作，是不可再分隔的动作，该操作只有两种状态，一是完成，二是未完成（早期化学中，原子是组成物质的最小的不可分割的单位，在这样的背景下提出的原子性）

在大部分情况下，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量属于单个线程，其他线程无法获得这个变量，但有时候，很多变量都需要在线程下共享，这样的变量被叫做共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互

2、需要互斥的原因

在各个线程访问共享变量的时候，会出现多进程并发的操作，可能会带来一些问题

下面是一个经典的抢票问题，每个线程访问到共享资源的票数就给它减一，就相当于是抢走一张票

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;
//四个线程一起抢票
#define NUM 4

class threadData
{
public:
    threadData(int number)
    {
        threadname = "thread-" + to_string(number);
    }

public:
    string threadname;
};
//一次放出的票数
int tickets = 1000; 

void *getTicket(void *args)
{
    threadData *td = static_cast<threadData *>(args);
    const char *name = td->threadname.c_str();
    while (true)
    {
        if(tickets > 0)
        {
            usleep(1000);
            //提示出是谁抢了票，以及抢到的票号
            printf("who=%s, get a ticket: %d
", name, tickets);
            tickets--;
        }
        else
            break;
    }
    printf("%s ... quit
", name);
    return nullptr;
}

int main()
{
    vector<pthread_t> tids;
    vector<threadData *> thread_datas;
    for (int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        pthread_t tid;
        threadData *td = new threadData(i);
        thread_datas.push_back(td);
        //这里最后一个参数因为下标从0开始，而我们的i是从1开始的，所以i-1
        pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, thread_datas[i - 1]);
        tids.push_back(tid);
    }

    for (auto thread : tids)
    {
        pthread_join(thread, nullptr);
    }

    for (auto td : thread_datas)
    {
        delete td;
    }
    return 0;
}

我们将形成的程序执行两遍
第一遍：

第二遍：

我们发现，抢票怎么还能抢出第0票呢，甚至还有-1、-2票？而且竟然还有抢到一张票的情况，下面我们来详解一下

首先，如果我们只讨论一个线程，整个抢票的过程就是，ticket在内存中，线程读取ticket，然后线程把ticket变量放到CPU上，CPU进行--操作，然后再放回内存中，将原来的值覆盖
我们这么说，这个过程是不是变得很慢了呢，所以在我们读取ticket之后，其他线程也来读取了，最后我们执行一圈后，如果他们都是一起执行完的，那么原来1000的值就变成了999，他们都抢到了第1000张票，这就是重复抢到同一张票的原因
出现负数也是这个原因，只不过不是同一时间做出返回内存的行为，在CPU进行计算的时候，要重新读取数据，如果开始时所有线程都ticket==1，判断这里就能过得去，然后一个线程拿到了最后一张票1，其他三个线程就拿到了“假票”0、-1、-2，这就是我们要进行进程互斥的原因