当前位置： 首页 > news >正文

Linux 线程通信 学习笔记

news 2026/5/9 23:09:17

Linux线程本质

•在Linux内核中，没有独立的“线程”数据结构，线程的本质是“共享资源的轻量级进程(LightweightProcess，简称LWP)”；

•内核视角：每个线程对应一个“任务控制块(task_struct)”，内核通过task_struct管理调度单元；

•资源共享：多个LWP(线程)通过共享同一“进程地址空间(mm_struct)、文件描述符(files_struct)、信号处理表(signal_struct)”等核心资源，实现“线程共享进程资源”的特性；

•与传统进程的区别：普通进程的task_struct对应独立的mm_struct(独立地址空间)，而线程的task_struct共享同一mm_struct，本质上是“同一进程地址空间下的多个调度单元”；

线程的状态

在Linux系统中，线程作为内核调度的基本单元(轻量级进程)，会因资源占用、执行阶段不同，呈现多种状态；

•运行状态(R)：也称之为可运行状态，就是处于运行状态的线程，正在CPU执行或等待CPU调度；

•可中断睡眠状态(S)：线程在等待某个事件(如等待I/O操作、等待特定信号等)完成，可被信号唤醒；

•不可以中断睡眠状态(D)：线程正在等待关键硬件操作完成，不能被信号中断，确保数据完整性；

•停止状态(T)：线程被暂停执行，通常是收到了特定的信号(如SIGSTOP(暂停线程))或者在调试程序时被调试器暂停，可被信号恢复执行(如SIGCONT)；

•僵尸状态(Z)：线程已终止，相关资源未被回收，等待所属进程(或其他负责线程资源回收的机制)进行回收；

•死亡态(X)：线程彻底终止，资源全部释放，是一个瞬间状态，几乎无法观测到；

Linux线程与POSIX标准的兼容

•标准遵循：Linux 原生 POSIX 线程库（libpthread）完全遵循 POSIX 线程标准，提供与其他 UNIX-like系统一致的线程接口，确保多平台代码可移植性；

•核心接口与库依赖：线程创建（pthread_create）、线程等待（pthread_join）等核心操作，均由libpthread.so 库提供；

•编码时需包含头文件：#include <pthread.h>（声明库中函数接口）；

•编译时需显式链接线程库：gcc 源码.c -o 可执行文件 -lpthread（否则会报 “未定义引用” 错误）；

•内核交互方式：Linux 下操作线程需通过 libpthread 库的 POSIX 接口，而非直接调用内核系统调用；用户态代码通过库封装与内核交互；

进程与线程的核心区别

对比维度进程线程
资源独立性拥有独立的内存空间、文件描述符等系统资源共享所属进程的内存空间和资源，仅拥有独立的栈、程序计数器等
创建/切换开销开销大(涉及资源分配与回收)开销小(仅需保存少量上下文信息)
通信方式需通过进程间通信(IPC)机制(如信号、消息队列等等)可直接通过共享内存通信(需同步机制避免冲突)
健壮性一个进程崩溃通常不影响其他进程一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃
适用场景任务间需要严格隔离(如浏览器标签页); 充分利用多核CPU处理CPU密集型任务(如大规模计算); 长时间运行的独立任务(如后台备份、视频转码); 运行不稳定或第三方代码(避免崩溃影响整体);任务间需要频繁共享数据(如Web服务器处理多请求); 轻量级并发，追求低开销(如GUI程序后台加载数据); I/O密集型任务(如网络请求、文件读写，可利用等待时间切换); 短期、协作紧密的子任务(如数据分片处理后汇总);

线程创建与终止函数

pthread_create函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
功能在调用进程中创建一个新的线程
参数thread用于存储新创建线程的唯一标识符（线程ID）
attr用于指定新线程的属性，若为NULL，则使用系统默认属性
start_routine指向线程的入口函数
arg用于给线程入口函数传递参数，若无需参数，可设为NULL
返回值- 成功：返回0，新线程ID会写入thread指向的变量中
- 失败：返回非0错误码

pthread_exit函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型void pthread_exit(void *retval);
功能结束当前线程
参数retval

用来给回收资源的线程传递线程的退出状态值；

若不想返回退出状态值，可以传NULL

返回值无

线程标识函数

pthread_self函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
函数原型pthread_t pthread_self(void);
功能获取调用线程的线程ID
参数无
返回值成功：总是成功，返回调用线程的线程ID

线程回收函数

pthread_join函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能阻塞等待指定的已终止线程结束，并为其回收资源
参数thread要回收资源的线程ID
retval用来接收线程退出的状态值，不关心则传NULL
返回值成功返回0，失败返回非零错误码

资源回收管理模式

•线程创建后默认处于结合态，若未显示设置为分离态，其终止后资源不会立即释放，必须由其他线程(通常是主线程)，通过pthread_join( )主动回收；

•分离态的线程，终止后会由系统自动回收资源，无需其他线程调用pthread_join( );

对比维度结合态（默认）分离态
资源回收方式必须通过其他线程调用pthread_join()回收线程终止后，系统自动回收资源
pthread_join()作用有效：调用后阻塞，直到目标线程终止并回收其资源无效：调用会返回错误，无法等待分离态线程
未回收的风险若主线程未调用pthread_join()，线程终止后会成为“僵尸线程”，占用task_struct等资源无风险：终止后资源立即释放，不会产生僵尸线程
状态设置时机/方式创建时默认（无需额外操作）；也可通过pthread_detach()函数从结合态转为分离态在pthread_create()的attr参数中设置PTHREAD_CREATE_DETACHED
适用场景需要获取线程退出状态的场景无需获取线程退出状态、希望自动释放资源的场景

pthread_attr_init函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
功能将一个线程属性对象初始化为默认值
参数attr需要被初始化的线程属性对象
返回值成功：返回0
失败：返回非0错误码

pthread_attr_setdetachstate函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
功能设置线程属性对象的分离状态
参数attr设置分离状态的线程属性对象
detachstate用于指定线程的分离状态
-PTHREAD_CREATE_JOINABLE：表示将线程设置为结合态
-PTHREAD_CREATE_DETACHED：表示将线程设置为分离态
返回值成功：返回0
失败：返回非0错误码

pthread_attr_destroy函数

项目说明
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
功能销毁一个已初始化的线程属性对象
参数attr指定需要被销毁的线程属性对象
返回值成功：返回 0；失败：返回非 0 错误码

线程控制函数

pthread_detach函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_detach(pthread_t thread);
功能标记一个线程为分离态
参数thread线程id
返回值成功：返回0；失败：返回非0错误码

pthread_cancel函数

项目说明
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_cancel(pthread_t thread);
功能请求取消指定的线程。目标线程对取消请求的处理取决于其取消状态和取消类型。
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

pthread_setcancelstate函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);
功能设置调用线程的可取消状态
可取消状态PTHREAD_CANCEL_ENABLE：可被取消（默认）
PTHREAD_CANCEL_DISABLE：不可被取消
参数state新的可取消状态
oldstate用于保存旧的可取消状态（可为NULL）
返回值成功：返回 0
失败：返回非 0 错误码

pthread_setcanceltype函数

项目内容
头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);
功能设置调用线程的可取消类型
可取消类型-PTHREAD_CANCEL_DEFERRED：延时取消（默认），线程直到下一次调用可作为取消点的函数时才被取消。
-PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS：异步取消，线程可被立即取消。
参数type要设置的新的可取消类型值。
oldtype存储旧的可取消类型值。
返回值- 成功：返回0。
- 失败：返回非0的错误码。

互斥锁

•互斥锁(Mutex,即Mutual Exclusion Lock)是并发编程中用于保护 “共享资源” 的同步工具，本质是一把“独占钥匙”；

•为什么需要互斥锁？

•当多个线程同时读写共享资源时，会出现 “竞态条件”，导致数据错误；

•互斥锁能强制线程 “排队访问” 资源，避免竞争；

•核心作用：保证 “同一时刻，只有一个线程能持有锁并访问共享资源”，实现 “互斥访问”；

pthread_mutex_init函数

分类内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
功能动态初始化互斥锁
参数mutex指定要进行初始化的互斥锁变量
attr

设置互斥锁的属性，若传NULL使用系统默认属性

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;静态初始化

返回值成功：返回 0
失败：返回非 0 错误码

pthread_mutex_lock函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
功能用于获取互斥锁。当互斥锁已被其他线程获取时，调用该函数的线程会被阻塞，直到互斥锁可用并成功获取。
参数mutex互斥锁
返回值成功：返回0；失败：返回非0错误码

pthread_mutex_trylock函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
功能用于获取互斥锁；当互斥锁已被其他线程获取时，调用该函数的线程不会被阻塞，而是立即返回错误。
参数mutex互斥锁
返回值成功：返回0；失败：返回非0错误码

pthread_mutex_unlock函数

项目说明
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
功能解锁
一般使用时只有加锁的线程可以解锁
参数mutex互斥锁
返回值成功：返回 0；失败：返回非 0 错误码

pthread_mutex_destroy函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
功能销毁互斥锁
参数mutex互斥锁
返回值成功：返回0
失败：返回非0错误码

条件变量

•条件变量是并发编程中用于实现线程间“等待-通知”机制的同步工具，可让线程在某个条件不满足时挂起，待条件满足后被唤醒；

•为什么需要条件变量？

•仅用互斥锁能保证共享资源访问的互斥性，但无法解决 “线程需等待特定条件成立才能继续执行” 的场景(比如生产者 - 消费者模型中，消费者需等待生产者生产出数据才能消费)；

•条件变量可结合互斥锁，让线程在条件不满足时主动释放锁并等待，条件满足时被唤醒以重新获取锁继续执行，灵活应对依赖条件的同步需求；

•核心作用：实现线程间的 “条件等待与通知”，使线程能在特定条件下协作，避免线程忙等情况消耗 CPU资源，提升并发效率；

pthread_cond_init函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
功能动态初始化条件变量
参数cond指定要初始化的条件变量
attr

设置条件变量的属性，若为NULL则使用系统默认属性

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;静态初始化

返回值成功：返回0
失败：返回非0错误码

pthread_cond_signal函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
功能唤醒至少一个等待在指定条件变量cond上的线程。
参数cond指向要操作的条件变量。
返回值成功：返回0
失败：返回非0的错误码（该错误码用于指示错误类型）。

pthread_cond_broadcast函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
功能唤醒所有等待在指定条件变量cond上的线程
参数cond指定要操作的条件变量
返回值成功：返回0
失败：返回非0错误码

pthread_cond_wait函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
功能线程阻塞在条件变量cond上，等待被唤醒；同时，该函数会自动释放传入的互斥锁mutex，当线程被唤醒时，又会自动重新获取该互斥锁；保证了线程在等待条件过程中互斥锁的正确管理，避免死锁等问题。
参数cond用于指定线程等待的条件变量
mutex与条件变量配合使用，保证线程在等待条件时的互斥
返回值成功：返回 0
失败：返回非 0 错误码

pthread_cond_destroy函数

项目内容
所需头文件#include <pthread.h>
原型int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
功能销毁条件变量相关的资源
参数cond要销毁的条件变量
返回值成功：返回0；失败：返回非0错误码

无名信号量

•无名信号量是一种用于线程同步或进程同步的工具，通过维护一个计数值来控制对共享资源的访问，可限制同时访问资源的线程或进程数量；

•为什么需要无名信号量？

•互斥锁只能保证同一时刻一个线程访问资源，而有些场景需要允许多个线程同时访问；

•无名信号量的计数值可灵活设置，能实现 “多线程有限并发访问” 或 “线程间的计数同步”，补充互斥锁在多资源并发场景的不足；

•核心作用：通过计数值控制共享资源的并发访问数量，支持多线程在一定限制下同时访问资源，或实现线程间基于计数的同步协作；

sem_init函数

项目内容
所需头文件#include <semaphore.h>
原型int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
功能初始化无名信号量
参数sem要初始化的信号量指针
pshared-0：线程间同步（同一进程内多个线程）
-≠0：进程间同步（需将信号量放在共享内存中）
value信号量初始计数值（可用资源数量）
-1：互斥锁（一次允许一个线程/进程）
-0：初始无资源，调用sem_wait会阻塞
返回值成功返回0；失败返回-1，并设置errno

sem_wait函数

项目内容
所需头文件#include <semaphore.h>
原型int sem_wait(sem_t *sem);
功能信号量的值减 1。
• 如果信号量的当前值大于 0，减 1 后函数直接返回（表示“获取资源成功”）。
• 如果信号量的当前值等于 0，sem_wait会阻塞，直到有其他线程/进程调用sem_post函数，使得信号量值大于 0 后，再执行“减 1”并返回。
参数sem无名信号量
返回值成功：返回 0
失败：返回 -1，并设置错误码（不会改变信号量的值）

sem_post函数

项目内容
所需头文件#include <semaphore.h>
原型int sem_post(sem_t *sem);
功能释放信号量（将信号量的值 +1）
参数sem用于指定对哪个信号量进行释放操作
返回值成功：返回 0；失败：返回 -1，并设置错误码（不会改变信号量的值）

sem_destroy函数

项目内容
所需头文件#include <semaphore.h>
原型int sem_destroy(sem_t *sem);
功能销毁无名信号量，释放该信号量相关的资源
参数sem指定对哪个信号量进行销毁操作
返回值成功：返回0
失败：返回-1，并设置错误码

线程的互斥与同步应用场景

工具应用场景特点优势局限性
互斥锁单一共享资源，同一时刻只允许一个线程访问；主要用于防止数据竞争和不一致性。实现简单，易于理解和使用；能有效解决单一资源的互斥访问问题，保障数据的一致性和完整性。若线程长时间持有锁，可能导致其他线程长时间等待，降低系统并发性能；使用不当容易产生死锁（例如多个线程循环等待对方持有的锁）。
条件变量线程需要在某个条件满足时才能继续执行；配合互斥锁，实现线程间的等待-通知机制。避免线程的忙等待，有效节省 CPU 资源，提高程序运行效率；可以实现更灵活的线程同步逻辑，满足复杂的条件等待和协作需求。必须与互斥锁配合使用，条件的判断和通知的时机需要准确把握，否则可能导致线程无法正确唤醒或错过唤醒，影响程序正确性。
无名信号量限制对共享资源的并发访问数量；可用于线程或进程的同步和计数控制。可以灵活控制并发访问的资源数量，适用于需要对资源进行定量管理的场景；不仅能实现互斥，还能进行计数同步，功能比互斥锁更丰富。信号量的计数管理需要准确设置和维护，容易出现资源过度使用或浪费的情况。
http://www.jsqmd.com/news/785808/

相关文章：

  • AI医疗实战：从单模态到多模态的糖尿病风险预测模型演进
  • Lidar360 9.1＆Lidar360MLS9.1雷达点云数据处理软件
  • 工业摇摆筛筛分精度不达标怎么调试整改
  • ggplot2实战避坑指南：从能画到专业的四步进阶
  • EARN框架：跨团队协作构建算法公平性共识的实践指南
  • 智能电网安全：AI检测与GAN伪造攻击的攻防博弈
  • GPT-3.5在独裁者游戏中的公平性实验：AI决策机制与价值对齐探索
  • MCP协议赋能SolidServer：自然语言驱动网络IPAM与DNS管理
  • [具身智能-618]：激光雷达 规格与技术参数 完整含义详解
  • 基于Matrix与OpenAI API构建智能聊天机器人：从原理到部署实践
  • GHelper终极指南：华硕笔记本轻量级性能调控开源工具
  • openclaw用户配置taotoken作为openai兼容后端的快速教程
  • Taotoken模型广场如何帮助开发者快速选型与切换
  • 开发AI应用时如何利用Taotoken实现按Token计费与成本控制
  • 2026年AI大模型API中转网站排行榜揭晓！谁能成为企业长期运行的理想之选
  • 新能源电池清洁度检测系统选型：西恩士如何实现产品微米级清洁度管控 - 工业设备研究社
  • JAVA-实战8 Redis实战项目—雷神点评（附加）数据实体类
  • 认知科学如何启发AI：从感知机制到通用智能的五大支柱
  • AI-XR元宇宙隐私保护：从数据最小化到零知识证明的技术实践
  • YOLOv5与LSTM构建智能交通系统：从实时感知到动态信号控制
  • 小米关闭USB安装提示的解决方法（超简单）
  • 开源音乐技能开发实战：从音频指纹到多模态交互
  • 2026年3月宠物外科医生哪个好，宠物骨科/宠物骨科专家/宠物体检/异宠医院/宠物内科，宠物外科医生找哪家 - 品牌推荐师
  • Terraform Import实战指南：将现有云资源纳入IaC管理
  • 脑机接口中的可解释AI：从黑盒解码到透明神经交互
  • 模力方舟：中国AI开源生态的自主创新样本
  • Unity协程
  • SpringBoot+Vue 海滨学院班级回忆录设计与实现平台完整项目源码+SQL脚本+接口文档【Java Web毕设】
  • Codex客户端左侧侧边栏变黑的解决方法（Windows）
  • 3分钟掌握N_m3u8DL-RE：跨平台流媒体下载神器终极指南