📝引言

进程是操作系统资源分配的最小单位，但是进程创建、切换开销大。线程作为轻量级进程，是 CPU 任务调度的基本单元，同一个进程内多个线程共享进程绝大多数资源，线程切换开销远小于进程。本篇讲解 Linux 下线程基础、线程创建回收、线程属性、线程互斥锁，帮助掌握多线程并发编程

1. 什么是线程

线程是一个轻量级的进程，用来实现多任务并发。 线程是操作系统任务调度的最小单位；进程是操作系统资源分配的最小单位。

线程由所在进程创建，线程一定隶属于某个进程。 线程创建的时候，操作系统会为每一个线程分配独立栈空间（默认 8M）；同一个进程内所有线程共享进程的堆区、数据段、bss 段、代码段、内核空间，仅栈区互相独立。

2. 进程与线程对比

对比项	进程	线程
核心概念	操作系统资源分配的最小单位	CPU 任务调度的最小单位
创建切换效率	创建开销大，完整复制虚拟内存；切换速度慢	创建快，仅分配栈；线程间切换速度快
内存占用	完整 0‑4G 虚拟地址空间，内存消耗大，并发数量受限	仅拥有独立栈区，其余内存和进程共享，资源开销小
安全性	进程之间地址空间完全独立，一个进程崩溃不影响其他进程	共享进程地址空间，任意一个线程崩溃会导致整个进程全部退出
通信方式	不能直接访问，必须使用 IPC 进程间通信机制	同进程线程直接读写全局变量、堆内存即可完成通信

3. 线程调度

宏观并行，微观串行。CPU 时间片轮转调度，调度算法和进程保持一致。

4. 线程消亡

1. 线程执行函数 return 返回，线程结束
2. 整个进程退出，进程内所有线程全部直接消亡
3. 调用pthread_exit()主动退出当前线程

5. 线程常用 API

5.1 pthread_create 创建线程

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

• 功能：创建并且启动一个子线程
• 参数
  • thread：输出参数，保存线程 ID
  • attr：线程属性，填 NULL 使用默认属性
  • start_routine：线程执行函数，函数格式固定void* func(void*)
  • arg：传递给线程函数的入参
• 返回值：成功返回 0；失败返回错误码（非 0）

⚠️编译注意：线程库不属于标准 C 库，编译链接必须加 -pthread。主线程不能在线程执行完毕前直接退出，否则子线程直接销毁。

5.2 线程分离属性

线程默认是非分离属性：线程退出之后资源不会自动释放，必须其他线程调用pthread_join回收；如果不回收会产生资源泄露。

• pthread_detach(tid)：设置线程为分离属性；线程结束操作系统自动回收资源，不需要 join 回收。 适用场景：主线程没有机会去阻塞等待子线程结束。

5.3 pthread_join 阻塞回收线程

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

• 功能：阻塞等待指定线程结束，回收线程资源
• 参数
  • thread：待回收线程 ID
  • retval：接收线程返回值，不关心返回值填 NULL
• 返回值：成功 0，失败非 0

6. 线程同步互斥：互斥锁

多线程并发访问临界资源（全局变量、队列、文件、数据库）会产生资源竞争，数据错乱。

临界资源：多个线程都可以访问的资源；访问临界资源的代码片段称为临界区。

互斥锁作用：保证同一时间，只有一个线程进入临界区访问资源，实现访问排他性。

互斥锁操作流程：

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. 访问结束解锁：pthread_mutex_unlock()
5. 不再使用销毁锁：pthread_mutex_destroy()

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

• mutex：锁对象地址
• attr：锁属性，NULL 使用默认属性
• 返回：成功 0，失败错误码

拓展其他锁类型：

1. 读写锁：读共享，写独占；适合读多写少场景
2. 自旋锁：获取不到锁不会休眠，持续占用 CPU 循环轮询

7. 信号量实现线程同步

信号量可以控制访问资源线程数量，实现线程同步。

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

• sem：信号量对象
• pshared：0 代表线程间共享；非 0 代表进程间共享
• value：信号量初始资源计数 返回：成功 0，失败非 0

信号量配套接口

• sem_wait()：P 操作，资源计数‑1；资源为 0 时阻塞等待
• sem_post()：V 操作，资源计数 + 1，唤醒等待线程
• sem_destroy()：销毁信号量

8. 死锁产生条件以及解决

死锁：多线程场景，各个线程已经持有部分锁资源，同时互相请求对方持有的锁，全部永久阻塞。

死锁 4 个必要条件，破坏任意一条即可消除死锁：

1. 互斥条件：资源同一时刻只能被一个线程占有（锁本身特性）
2. 请求与保持条件：线程已经占有锁，同时申请新锁，原有锁不释放
3. 不剥夺条件：锁只能持有者主动释放，其他线程不能强制抢夺锁
4. 循环等待条件：多个线程形成环形互相等待锁资源

常见死锁场景：忘记解锁；重复加锁；多把锁加锁顺序混乱。

解决思路：

1. 加锁解锁必须成对出现
2. 多线程操作多把锁，所有线程加锁顺序保持完全一致，破坏循环等待
3. 使用非阻塞锁pthread_mutex_trylock()、sem_trywait()，申请失败主动释放已经获取资源