如何在 C 中創建 Linux 線程

2022/12/06

在 Linux 上，您可以使用 POSIX 線程 (pthread) 庫在 C/C++ 中創建和管理線程。與其他操作系統不同，Linux 中的線程和進程之間幾乎沒有區別。這就是 Linux 經常將其線程稱為輕量級進程的原因。

使用 pthread 庫，您可以創建線程、等待它們終止以及顯式終止它們。

Linux 上線程使用的歷史

在 Linux 2.6 版本之前，主要的線程實現是 LinuxThreads。這種實現在性能和同步操作方面有很大的限制。可以運行的最大線程數的限制將它們限制在 1000 個以內。

2003 年，由來自 IBM 和 RedHat 的開發人員領導的團隊成功地使Native POSIX Thread Library (NPTL) 項目可用。它首先在 RedHat Enterprise 版本 3 中引入，以解決 Linux 上 Java 虛擬機的性能問題。今天，GNU C 庫包含這兩種線程機制的實現。

這些都不是綠色線程的實現，虛擬機將在純用戶模式下管理和運行。當您使用 pthread 庫時，內核會在每次程序啟動時創建一個線程。

您可以在/proc/<PID>/task下的文件中找到任何正在運行的進程的線程特定信息。這是 procfs Linux 標準下進程信息的標準位置。對於單線程應用，會出現該目錄下有一條與PID值相同的任務記錄。

線程的工作邏輯

線程就像當前在操作系統上運行的進程。在單處理器系統（例如微控制器）中，操作系統內核模擬線程。這允許事務通過切片同時運行。

單核操作系統一次只能真正運行一個進程。然而，在多核或多處理器系統中，這些進程可以同時運行。

C中的線程創建

您可以使用pthread_create函數創建一個新線程。pthread.h頭文件包括其簽名定義以及其他與線程相關的函數。線程使用與主程序相同的地址空間和文件描述符。

pthread 庫還包括對同步操作所需的互斥鎖和條件操作的必要支持。

當您使用 pthread 庫的函數時，您必須確保編譯器將pthread庫鏈接到您的可執行文件中。如有必要，您可以使用-l選項指示編譯器鏈接到庫：

gcc -o test test_thread.c -lpthread

pthread_create 函數具有以下簽名：

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

如果程序成功，它返回 0。如果有問題，它會返回一個非零錯誤代碼。在上面的函數簽名中：

thread參數的類型為pthread_t。創建的線程將始終可以使用此引用訪問。
attr參數允許您指定自定義行為。您可以使用一系列以pthread_attr_開頭的特定於線程的函數來設置該值。可能的自定義是調度策略、堆棧大小和分離策略。
start_routine指定線程將運行的函數。
arg表示由線程傳遞給函數的通用數據結構。

這是一個示例應用程序：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h>

void *worker(void *data) { char *name = (char*)data;


 for (int i = 0; i < 120; i++)
 {
 usleep(50000);
 printf("Hi from thread name = %s\n", name);
 }
 printf("Thread %s done!\n", name);
 return NULL;
}

int main(void) { pthread_t th1, th2; pthread_create(&th1, NULL, worker, "X"); pthread_create(&th2, NULL, worker, "Y"); sleep(5); printf("Exiting from main program\n"); return 0; }

線程類型

當線程從應用程序中的main()函數返回時，所有線程都會終止，系統會釋放該程序使用的所有資源。同樣，當使用exit()之類的命令退出任何線程時，您的程序將終止所有線程。

使用pthread_join函數，您可以等待線程終止。使用此函數的線程將阻塞，直到預期的線程終止。他們從系統中使用的資源不會返回，即使在可連接線程終止、CPU 未調度或什至無法與ptread_join連接等情況下也是如此。

有時會出現使用 pthread_join 加入沒有意義的情況；例如，如果無法預測線程何時結束。在這種情況下，您可以確保系統在線程返回時自動返回所有資源。

為此，您應該以DETACHED狀態啟動相關線程。啟動線程時，可以通過線程屬性值或使用pthread_detach函數設置DETACH狀態：

int pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); int pthread_detach(pthread_t thread);

下面是 pthread_join() 的使用示例。將第一個程序中的 main 函數替換為以下內容：

int main(void) { pthread_t th1, th2; pthread_create(&th1, NULL, worker, "X"); pthread_create(&th2, NULL, worker, "Y"); sleep(5); printf("exiting from main program\n"); pthread_join(th1, NULL); pthread_join(th2, NULL); return 0; }

當您編譯並運行該程序時，您的輸出將是：

Hi from thread Y Hi from thread X Hi from thread Y ... Hi from thread Y exiting from main program Hi from thread X ... Hi from thread X Thread X done! Hi from thread Y Thread Y done!

線程終止

您可以通過調用 pthread_cancel 並傳遞相應的pthread_t id 來取消線程：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

您可以在以下代碼中看到這一點。同樣，只有主要功能不同：

int main(void) { pthread_t th1, th2; pthread_create(&th1, NULL, worker, "X"); pthread_create(&th2, NULL, worker, "Y"); sleep(1); printf("====> Cancelling Thread Y!!\n"); pthread_cancel(th2); usleep(100000); printf("====> Cancelling Thread X!\n"); pthread_cancel(th1); printf("exiting from main program\n"); return 0; }

為什麼要創建線程？

操作系統總是嘗試在一個或多個 CPU 上運行線程，要么來自自創建的列表，要么來自用戶創建的線程列表。某些線程無法運行，因為它們正在等待來自硬件的輸入/輸出信號。它們也可能是自願等待，等待另一個線程的響應，或者有另一個線程阻塞它們。

您可以調整分配給使用 pthread 創建的線程的資源。這可以是自定義調度策略，或者您可以根據需要選擇調度算法，例如 FIFO 或 Round-robin。