本文基于 Linux C 应用开发学习笔记，对比进程，讲解线程原理、API、线程同步互斥、死锁问题。

一、什么是线程

线程是轻量级进程，用来实现程序多任务并发。

• ✅ 进程：操作系统资源分配最小单位

• ✅ 线程：CPU 任务调度最小单位

线程一定隶属于某个进程，一个进程内部可以创建多个线程。

进程与线程内存模型

进程创建的时候分配完整 0‑4G 虚拟地址空间； 同一个进程内所有线程共享进程大部分资源，仅拥有自己独立栈区（默认 8M）：

1. 共享：堆区、.data段、.bss段、字符串常量区、代码文本区、内核空间

2. 私有：每个线程独立栈区，保存局部变量、函数调用现场。

优势：线程创建、切换开销远小于进程；缺点：共享资源带来竞争风险。

进程 vs 线程对比表

对比项	进程	线程
核心定位	资源分配最小单位	CPU 调度最小单位
创建开销	大，完整拷贝虚拟内存	小，只分配线程栈
内存占用	每个进程独立完整内存空间	同进程线程共享绝大部分内存，仅栈独立
安全性	进程之间完全隔离，一个崩溃不影响其他进程	同进程一个线程崩溃，整个进程全部崩溃
通信方式	必须 IPC（管道、共享内存、信号等）	直接读写全局变量、全局队列即可通信
切换速度	慢	快

二、线程基础 API

⚠️注意：编译线程代码必须链接线程库，编译选项加上 -pthread

1. 创建线程 pthread_create

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

参数说明

1. thread：输出参数，保存线程 ID

2. attr：线程属性，NULL使用默认属性

3. start_routine：线程执行函数，函数格式必须 void* func(void*)

4. arg：传递给线程函数的参数

返回值：成功返回 0；失败返回非 0 错误码。

2. 线程退出

线程退出有三种方式：

1. 线程任务函数return返回；

2. 调用pthread_exit(void *retval)主动退出线程；

3. 整个进程退出，进程内所有线程全部销毁。

⚠️重要：主线程不要提前 return/exit，否则所有子线程直接被销毁。

3. 线程回收

线程分两种属性：非分离属性（默认）、分离属性

① 非分离属性（默认）

线程结束后资源不会自动释放，必须其他线程调用pthread_join回收，否则资源泄漏。

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• thread：要回收的线程 ID

• retval：接收线程退出返回值，不需要填NULL

• 特点：阻塞等待子线程结束。

② 分离属性 detach

调用pthread_detach(tid)设置线程为分离属性。

• 设置之后：线程退出，操作系统自动回收资源，不需要调用pthread_join。

• 使用场景：主线程没有机会去 join 子线程。

int pthread_detach(pthread_t tid);

三、线程间通信、临界资源问题

同进程线程共享全局变量、堆内存，因此可以直接读写实现通信。

多线程同时读写同一份共享资源，就会产生资源竞争。

临界资源：多个线程都能访问的公共资源，如全局变量、队列、文件。 临界区：访问临界资源的那一段代码。

示例问题：两个线程同时对同一个全局变量做自增，最终结果会出现错误，因为读‑改‑写操作被 CPU 调度打断。

解决竞争两类方案：

1. 互斥：同一时刻只允许一个线程访问临界资源（互斥锁）

2. 同步：控制多个线程执行先后顺序（信号量、条件变量）

1. 互斥锁 pthread_mutex_t

互斥锁实现排他访问临界资源。完整流程：

1. 定义锁对象 pthread_mutex_t mutex;

2. 初始化锁 pthread_mutex_init()

3. 访问临界资源前加锁 pthread_mutex_lock()

4. 操作公共数据

5. 访问结束解锁 pthread_mutex_unlock()

6. 不再使用销毁锁 pthread_mutex_destroy()

//初始化 pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 
//临界区 pthread_mutex_lock(&mutex); 
//操作全局变量/队列 pthread_mutex_unlock(&mutex); 
//销毁 pthread_mutex_destroy(&mutex);

其他锁类型

• 读写锁：读共享，写独占；适合读多写少场景

• 自旋锁：拿不到锁时不睡眠，循环占用 CPU，适合锁持有时间很短场景

2. 信号量 sem_t（线程同步）

信号量可以控制线程执行顺序，实现同步。 P 操作sem_wait()：信号量‑1，如果为 0 则阻塞等待； V 操作sem_post()：信号量 + 1，唤醒等待线程。

API 清单

//初始化信号量 int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
 //P操作，申请资源 int sem_wait(sem_t *sem);
 //V操作，释放资源 int sem_post(sem_t *sem); 
//销毁 int sem_destroy(sem_t *sem);

• pshared=0：用于线程之间；非 0 用于进程之间。

• value：信号量初始资源计数。

四、多线程死锁

死锁：多个线程各自占有锁，又互相请求对方手里锁，全部永久阻塞。

死锁常见现象

1. 忘记解锁；

2. 同一个线程重复加同一把锁；

3. 多把锁，线程加锁顺序不一致。

例：线程 A 持有锁 1，请求锁 2；线程 B 持有锁 2，请求锁 1，互相等待，死锁。

死锁四个必要条件，全部满足才会死锁，破坏任意一个即可避免死锁

1. 互斥条件：资源同一时刻只能一个线程占有（锁本身特性）

2. 请求与保持：线程已经占有锁，不释放，继续申请别的锁

3. 不可剥夺：锁只能持有者主动释放，别人不能强制抢走

4. 循环等待：多个线程形成环路，互相等待对方占有的资源

避免死锁的手段

1. 锁成对使用：加锁后一定要解锁；

2. 所有线程加锁顺序保持一致，破坏循环等待；

3. 使用非阻塞接口：pthread_mutex_trylock()，拿不到锁主动释放已经获取资源，不阻塞等待。

五、线程开发小结

1. 线程共享进程资源，创建开销远小于进程，但是线程崩溃会把整个进程带走；

2. 默认非分离线程，结束后必须 join 回收；不需要 join 就设置 detach 分离属性；

3. 多线程访问共享数据，必须加互斥锁保护临界区，防止数据错乱；

4. 信号量实现线程执行顺序同步；

5. 多锁场景注意死锁四大条件，重点统一加锁顺序。