1.线程概念

1.什么是线程

2.线程 vs 进程

不同的操作系统有不同的实现方式：

• linux ：直接使用pcb的功能来模拟线程，不创建新的数据结构
• windows： 使用新的数据结构TCB，来进行实现，一个PCB里有很多个TCB

3.资源划分

详情可见操作系统书籍中的存储器管理和虚拟存储器管理章节！！！！

4.线程理解

2.线程和进程的区别

• 黄字代表线程特有的私有数据
• 一组寄存器和上下文数据---------------证明线程是可以被独立调用
• 栈--------------证明线程是动态的

1.进程的线程共享!!!!!!!!!!

同⼀地址空间,因此 Text Segment 、 Data Segment 都是共享的,如果定义⼀个函数,在各线程中都可以调⽤ ,如果定义⼀个全局变量,在各线程中都可以访问到, 除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境:

• ⽂件描述符表 （fd)
• 每种信号的处理⽅式(SIG_IGN、SIG_DFL或者⾃定义的信号处理函数)
• 当前⼯作⽬录
• ⽤⼾id和组id

1.父子进程只有代码段是共享的，但主线程和子线程连地址空间都是共享的，所以他们可以使用共享的函数和全局变量 （意思就是如果子线程的全局变量被修改了，主线程看到的是同一个全局变量，也会变化） 轻松实现类似进程间通信！！！！！！！
2.而全局变量在父子进程中是写实拷贝，子变父不变 !!!!!!!!!

3.linux的线程控制

1.线程创建

创建函数：

运行后使用 ps - aL指令查看线程

2.pthread库的引入----为什么需要有线程库？

4.pthread库的使用

• 与线程有关的函数构成了⼀个完整的系列，绝⼤多数函数的名字都是“pthread_”打头的
  • 要使⽤这些函数库，要通过引⼊头⽂件 <pthread.h>
  • 链接这些线程函数库时要使⽤编译器命令的“-lpthread”选项

1.线程创建—pthread_create()

• thread是新线程的标识符，是输出型参数（让主线程获取，便于调用其他函数）

2.线程等待—pthread_join()

• 这里retval拿到的是子线程的退出码，即子线程函数的返回值，但返回值是void *
• 所以retval的类型应当是void* 的地址类型即void**

• 其中，routine是子线程的入口函数，routine函数结束的话子线程也就结束了

3.线程取消或终止—pthread_exit()/pthread_cancel()

1-----------------pthread_exit()

2-----------------pthread_cancel()

• 如果线程被主线程或其他线程取消，那么主线程join函数得到的返回值固定为-1

4.线程分离—int pthread_detach(pthread_t thread);

5.线程ID及进程地址空间布局

1.--------------------------pthread_self函数获取id

2.--------------------------pthread库的动态链接

• 所有的线程都是在thread库中建立的，线程的管理块都存储在库中，具体的pcb由用户使用系统调用在内核中建立

• 创建线程的具体图例

6.线程互斥

来看一个买票的例子：

/ 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int ticket = 100;
void* route(void* arg) {char* id = (char*)arg;while (1) {if (ticket > 0) {usleep(1000);printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);ticket--;} else {break;}}
}
int main(void) {pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);
}

• 为了避免买票变成负数，所以要使用 锁 来保证线程间的互斥

为什么会变成负数？？？？？？

• 因为ticket–操作并不是原子的----------即无法一步完成------要先把ticket大小传入cpu，再在cpu中进行运算，最后再写回ticket全局变量中--------一共有三步
• 可能某一个线程计算完后ticket为0，但还没写回ticket，另一个线程就又开始运行，这个时候ticket是1，还能通过if条件语句，最后两个线程都执行ticket–，全部写回后，ticket变成了-1！！！！

1.锁的使用

#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int ticket = 100;
pthread_mutex_t mutex;//设置锁----这里是全局锁，用完后会自动销毁
void* route(void* arg) 
{char* id = (char*)arg;while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex);//pthread_mutex_lock--------上锁if (ticket > 0) {usleep(1000);printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);ticket--;pthread_mutex_unlock(&mutex);// pthread_mutex_unlock--------解锁} else {pthread_mutex_unlock(&mutex);// pthread_mutex_unlock--------解锁break;}}return nullptr;
}
int main(void) {pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// pthread_mutex_init------初始化锁pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);//pthread_mutex_destroy-------删除锁
}

pthread 库是 POSIX 线程库，提供了多线程编程的 API，其中包括用于线程同步的锁机制。以下是 pthread 中常见的锁函数及其解释：

---

1. 互斥锁（Mutex）

互斥锁用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。

相关函数：

• pthread_mutex_init
  初始化互斥锁。

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

  • mutex：指向互斥锁对象的指针。
  • attr：属性对象（通常设为 NULL 使用默认属性）。
  • 成功返回 0，失败返回错误码。

• pthread_mutex_lock
  加锁。如果锁已被其他线程持有，则调用线程阻塞直到锁被释放。

  int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
  

• pthread_mutex_trylock
  尝试加锁，如果锁已被持有则立即返回错误（非阻塞）。

  int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
  

  • 成功返回 0，锁被持有时返回 EBUSY。

• pthread_mutex_unlock
  解锁。

  int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  

• pthread_mutex_destroy
  销毁互斥锁，释放资源。

  int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
  

7.线程同步

1.条件变量函数介绍

-------------------为了避免加锁后导致线程饥饿而设置的变量

条件变量用于线程间通信，通常与互斥锁配合使用，实现线程的等待和唤醒机制。

相关函数：

• pthread_cond_init //第二个变量基本是设置为nullptr
  初始化条件变量。

  int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
  

• pthread_cond_wait // 第二个参数是上文的互斥锁
  等待条件变量，并释放关联的互斥锁（原子操作）。

  int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
  

• pthread_cond_signal
  唤醒一个等待该条件变量的线程。

  int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
  

• pthread_cond_broadcast
  唤醒所有等待该条件变量的线程。

  int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
  

• pthread_cond_destroy
  销毁条件变量。

  int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
  

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#define NUM 5
int cnt = 1000;pthread_mutex_t glock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 定义锁
pthread_cond_t gcond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;   // 定义条件变量// 等待是需要等，什么条件才会等呢？票数为0，等待之前，就要对资源的数量进行判定。
// 判定本身就是访问临界资源！，判断一定是在临界区内部的.
// 判定结果，也一定在临界资源内部。所以，条件不满足要休眠，一定是在临界区内休眠的!
// 证明一件事情：条件变量，可以允许线程等待
// 可以允许一个线程唤醒在cond等待的其他线程， 实现同步过程
void *threadrun(void *args)
{std::string name = static_cast<const char *>(args);while (true){pthread_mutex_lock(&glock);// 直接让对用的线程进行等待?? 临界资源不满足导致我们等待的!pthread_cond_wait(&gcond, &glock); // glock在pthread_cond_wait之前，会被自动释放掉std::cout << name << " 计算: " << cnt << std::endl;cnt++;pthread_mutex_unlock(&glock);}
}int main()
{std::vector<pthread_t> threads;for (int i = 0; i < NUM; i++){pthread_t tid;char *name = new char[64];snprintf(name, 64, "thread-%d", i);//snprintf函数往name中打印字符串int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, name);if (n != 0)continue;threads.push_back(tid);sleep(1);}sleep(3);// 每隔1s唤醒一个线程while(true){std::cout << "唤醒所有线程... " << std::endl;pthread_cond_broadcast(&gcond);// std::cout << "唤醒一个线程... " << std::endl;// pthread_cond_signal(&gcond);sleep(1);}for (auto &id : threads){int m = pthread_join(id, nullptr);(void)m;}return 0;
}

8.生产者消费者模型

• 生产者和消费者之间要有顺序地进行工作，所以是同步的

基于阻塞队列实现生产者消费者模型：

----------------什么是阻塞队列？