多线程概念与常用接口

多线程概念与相对于线程的区别

什么是多线程（概念）

多线程是指在同一个进程内同时执行多个线程，每个线程都是独立的执行流，都有自己的程序计数器、堆栈、寄存器和状态等信息，但共享同一个进程的地址空间和资源（在进程的共享区）。多线程可以提高程序的并发性和响应速度，使得程序能够更加有效地利用计算机的多核心和多任务处理能力。

补充：什么是高并发：

高并发性是指系统能够同时处理大量的并发请求，保持系统的高效性和可用性。 在计算机领域，高并发性通常指在单位时间内处理的请求量非常大，例如每秒处理几百万甚至几千万个请求。高并发性通常是对于网络服务、Web应用程序、数据库系统、操作系统等需要处理大量请求的系统而言的。

进程和线程的区别

进程是计算机中正在执行的程序实例，是资源分配的单位。当程序被启动时，操作系统为该程序分配一段内存空间，这段内存空间包含了程序的代码、数据和堆栈等信息，并为该程序创建一个进程实例。进程包括了程序的所有状态，例如程序计数器、寄存器、堆栈指针和打开的文件等。操作系统利用进程的信息来控制程序的执行和资源的分配，使多个程序可以同时在计算机上运行。

进程是计算机中最基本的执行单元，每个进程都拥有自己的内存空间、资源和执行上下文，这使得多个进程可以同时在计算机上运行，而不会相互干扰。进程之间可以通过进程间通信来进行数据交换和协作，

线程是进程中的执行单元，每个进程可以包含多个线程。 线程共享进程的内存空间和资源，每个线程拥有自己的执行上下文和栈。线程可以协作完成一个任务，也可以同时执行多个任务，这使得多线程程序可以充分利用计算机的多核处理能力，提高程序的性能和响应速度。

因此，进程和线程都是计算机中的执行单元，进程是操作系统中资源分配的最小单位，线程是进程中的执行单元，一个进程可以包含多个线程。两者的区别在于进程是操作系统中的基本单位，而线程是进程中的执行单元，进程之间相互独立，线程之间共享进程的资源和上下文。

在Linux系统下，进程和线程的区别如下：

1.资源占用：每个进程都会占用一定的系统资源，包括独立的地址空间、文件描述符、内存和系统调用等，而线程则共享进程的资源，包括地址空间、文件描述符、内存和系统调用等。

2.上下文切换：进程之间的切换需要进行完整的上下文切换，包括寄存器、内存和I/O等，而线程之间的切换只需要切换线程的上下文和栈，比进程切换更快。

3.调度：进程之间的调度由操作系统负责，每个进程有自己的调度策略和优先级，而线程之间的调度由进程内的线程库负责，根据线程的优先级和调度算法来调度线程。

4.通信：进程之间的通信需要使用进程间通信机制（IPC），例如管道、信号、共享内存和消息队列等，而线程之间的通信可以直接通过共享内存和进程内部的信号量、互斥锁和条件变量等进行通信。

5.安全性：进程之间的数据隔离更加彻底，可以提供更高的安全性，而线程之间共享同一个地址空间，可能会出现数据互相干扰的问题，需要进行同步和互斥等操作来保证数据的一致性和安全性。

因此，在Linux系统下，进程和线程都是执行单元，进程是资源分配的基本单位，线程是进程中的执行单元。 进程之间的隔离更加彻底，线程之间的切换更加快速，但需要考虑线程间的同步和互斥问题。

在Linux下，进程和线程都是通过pcb实现的，进程和线程都是以任务（task）的形式存在的，每个任务都对应着一个PCB，任务的切换实际上就是PCB的切换。由于线程共享同一个进程的地址空间和资源，因此Linux中线程的PCB与进程的PCB在结构上是有所区别的，线程的PCB通常称为线程描述符（Thread Descriptor）或轻量级进程（LWP，Light-weight Process）。Linux中线程的PCB与进程的PCB在结构上的区别在于，线程的PCB只记录了线程的部分状态，如堆栈指针、寄存器值、调度策略等，而没有单独的地址空间和文件描述符等资源，这些资源是共享给整个进程的。因此，线程切换的代价相对进程切换要小得多，这也是多线程应用程序的一个重要优势。

多进程和多线程优缺点比较：

多进程和多线程都是用来实现并发的技术，但它们各自具有一些优缺点，下面对它们进行比较：

多进程的优点：

稳定性（健壮性强）：每个进程都是独立的，一个进程崩溃不会影响其他进程，因此系统的稳定性更高。

安全性：进程间的内存空间是独立的，不同进程之间的数据不会互相干扰，因此系统的安全性更高。

可扩展性：可以利用多台计算机的资源，将多个进程分配到不同的计算机上运行，从而实现更高的可扩展性。

所以在例如网络服务器，shell程序这种对于主程序要求高的情况，多使用多进程，其他情况尝尝使用多线程提高效率。

多进程的缺点：

资源消耗：每个进程都需要独立的地址空间、文件描述符、信号处理等资源，因此创建和维护多个进程的开销相对较大。

进程间通信：进程间通信需要额外的开销，而且往往需要使用复杂的通信机制来实现。

上下文切换：进程切换的开销相对较大，需要保存和恢复更多的状态信息，因此系统的性能可能受到影响。

多线程的优点：

资源节约：多个线程可以共享同一个进程的地址空间、文件描述符、信号处理等资源，因此创建和维护多个线程的开销相对较小

响应速度：线程切换的开销相对较小，可以更快地响应用户的请求，提高系统的响应速度。

简单易用：线程的创建，销毁和管理相对较简单，程序员可以更方便地利用多线程实现并发操作。

多线程的缺点：

稳定性：多个线程共享同一个地址空间，一个线程的错误可能会影响其他线程或整个进程，因此系统的稳定性可能会受到影响。

安全性：多个线程共享同一个内存空间，数据竞争和死锁等问题可能会出现，程序员需要使用同步机制来保证线程的安全性。

调试困难：多个线程同时运行，程序的执行流程可能会变得复杂和难以调试，特别是在多线程并发环境下，程序员需要花费更多的时间和精力来调试程序。

在多任务处理中，启动多少执行流比较合适

在多任务处理中，使用多执行流（多线程）可以更加充分的利用计算机资源，提高执行效率

但是执行流越多，cpu切换调度就越频繁，如果执行流太多，返回会造成切换调度消耗了大部分的资源。在任务处理中，程序一般分为俩种程序：

cpu密集型程序：一段程序中几乎都是数据的运算（对cpu的使用率非常高）

IO密集型程序：一段程序中大部分是IO操作（大部分时间都是在进行IO操作以及等待，因此对CPU使用率并不高）

因此，不同的程序对于CPU的要求是不一样的，因此多执行流没有什么固定的数量，最好是经过压力测试找到最合适的数量

线程控制

主要介绍的是线程的接口，其实都是大佬们封装的库函数，因为linux操作系统并没有直接向上层提供线程系统调用接口。

在linux下创建一个线程，其实就是创建一个pcb，多个pcb指向同一个虚拟空间，因此上层接口就要实现找到pcb并对其进行一些控制

线程的创建

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);

参数thread是一个指向pthread_t类型变量的指针，用于存储新线程的ID(线程的操作句柄)；

参数attr是一个指向pthread_attr_t类型变量的指针，用于指定新线程的属性，如果为NULL，则使用默认属性；

参数start_routine是一个指向函数的指针（函数指针），该函数是新线程的启动函数，即线程的入口函数，这个线程调度运行的就是这个函数，我们知道线程就是控制进程中的一部分，所以线程就是控制调度这一部分函数；

参数arg是传递给启动函数（rounite）的参数。

功能即：创建一个线程，指定这个线程运行的函数routine，并且给这个函数传入一个数据arg，成功返回0，不成功返回非0值。

操作演示：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
void *thread_entry(void* arg){
    while (1)
    {
        printf("i am ordinary thread:%s\n",arg);
    }
}
int main()
{
    pthread_t tid;
    void * arg = "hello";
    int ret =  pthread_create(&tid,NULL,thread_entry,arg);
    if(ret!=0){
        printf("pthread error\n");
        return -1;
    }
    while(1){
        printf("i am main thread\n");
    }
    return 0;
}

普通线程一旦创建出来，创建出来的这个线程调度的是传入线程的入口函数，因此主进程也可以走下来，不等普通线程结束，并发进行。创建一个线程，其实就是让操作系统提供一个执行流。至于让线程做什么，取决于它的入口函数。

一个执行流在cpu运行的时间是一个时间片，谁先运行不一定，取决于操作系统的调度。主进程和子线程是并发执行的，它们的执行顺序是由系统调度器决定的。在多线程程序中，所有线程都可以并行运行，因此不能保证主进程先于所有子线程执行完毕。如果需要等待所有子线程执行完毕后再退出主进程，可以使用pthread_join()等待线程退出。

线程的终止

线程其实调度运行的是线程入口函数传入的入口函数，因此其实程序线程入口函数退出了，线程也就退出了。

在线程入口函数中return

注意：main中return退出的不仅仅是主线程，而是整个线程（退出了进程）

调用pthread_exit(void *retval)：接口退出，retval是线程退出的返回值

上边两个是主动退出，在任意地方主动调用，主动调用，谁调用谁退出

调用void pthread_cancel(pthread_t thread)接口，该函数用于向指定线程发送取消请求，如果一个线程被取消，则不能调用其返回值进行操作（比如获取退出码进行线程等待，没有实际的处理意义）。假设我现在在主线程运行三秒后让普通线程退出，我就可以使用一个计时器，在主线程运行三秒后，调用接口让普通线程取消。

线程的等待

主线程退出，其实并不会影响其他线程的运行，一个线程被释放之后，它所占用的资源并不会立即释放。相反，线程的资源会在该线程结束后被释放。

当一个线程调用pthread_exit()函数或者线程函数执行完毕退出时，该线程会被标记为“已终止”，但是它所占用的资源并不会立即释放。线程的资源包括堆栈、寄存器、线程控制块等等。这些资源会被操作系统回收，但是具体的时间是不确定的，取决于操作系统的实现。通常，操作系统会在一段时间后回收线程资源，以确保资源能够被充分利用。

需要注意的是，如果一个线程没有被正确地销毁，即没有调用pthread_join()或pthread_detach()函数来回收线程资源，那么线程的资源将一直存在，直到进程结束。这会导致内存泄漏等问题，因此在编写多线程程序时需要特别注意线程的正确销毁和资源回收。

如果主线程调用pthread_exit()或者return语句退出，那么它所创建的其他线程将会继续运行，直到它们自己结束或被取消。但是如果主线程通过调用exit()函数、abort()函数或者收到信号等方式退出，那么整个进程将会被终止，所有线程都将被强制结束，即使它们没有执行完毕。这种情况下，其他线程的状态和数据都将丢失，可能会导致数据不一致或资源泄漏等问题。

等待：等待指定线程退出，获取退出的线程返回值，回收退出线程的所有资源

pthread_join(pthread_t thread, void **retval)：该函数用于等待指定线程的结束，并获取线程的返回值。调用线程会一直阻塞，直到指定线程退出为止。如果不需要获取线程的返回值，返回的是一个地址，所以传入二级指针。可以将retval参数设置为NULL。thread是获取线程的tid。被等待的线程在退出时必须通过pthread_exit()函数返回一个值，否则无法获取到有效的返回值。成功返回0，失败返回一个错误编号。

pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)：该函数用于等待条件变量的触发，并在等待期间释放互斥锁。在调用该函数之前，必须先获得互斥锁，否则会导致未定义的行为。当条件变量被触发时，该函数会重新获得互斥锁，并继续执行。

注意：线程的传递需要额外的注意数据的常量。（static，malloc创建的等）,如果线程被取消了，将会返回一个宏。

线程的分离

线程的分离（Detached Thread）是指将一个线程设置为分离状态，使得该线程结束后，它所占用的资源会自动被系统回收，而无需其他线程调用pthread_join()函数来获取其退出状态。在线程属性中，有一个属性叫做分离属性，默认是joinable状态，表示线程退出后，不会被自动释放资源，需要被其他线程等待，但是我们有时候并不关心一个线程的返回值，也不想等待他的退出，则这个时候会将这个分离属性设置为detach状态，表示线程退出后，会自动释放所有资源，不需要被等待（等待会出错）

int pthread_detach(pthread_t tid);//设置指定线程的分离属性为detach