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【Linux】深入理解线程控制

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发布： 2025-06-26 13:12:34

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一、线程等待的原理

pthread_join 函数用于实现线程等待。其中的 retval 参数用于传递目标线程的退出状态。当目标线程结束时，pthread_join 会将目标线程的退出状态（即线程函数的返回值或通过 pthread_exit 传递的参数）存储在 *retval 所指向的内存位置上。换句话说，pthread_join 会修改 retval 所指向的 void * 类型变量的值。

以下是相关的代码示例：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

int g_val = 100;

void *threadRoutine(void *args) {
    const char *name = (const char *)args;
    int cnt = 5;
    while (true) {
        printf("%s, pid: %d, g_val: %d, &g_val: 0X%p\n", name, getpid(), g_val, &g_val);
        sleep(1);
        cnt--;
        if (cnt == 0)
            break;
    }
    pthread_exit((void *)100);
}

int main() {
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid, nullptr, threadRoutine, (void *)"Thread 1");
    void *ret;
    pthread_join(pid, &ret);
    cout << "Thread returned: " << (long long int)ret << endl;
    return 0;
}

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通过上面的代码和图片，我们可以看到，新线程的输出参数可以被主线程获取，并且全局变量可以被所有线程访问，是共享资源，因此全局函数也可以被所有线程访问。

&ret 接收退出状态的具体过程如下：当调用 pthread_join 时，pthread_join 会阻塞当前线程，直到由 thread 参数指定的目标线程终止。一旦目标线程终止，pthread_join 会将该线程调用 pthread_exit 时传递的 void* 指针（即退出状态）赋值给 &ret 所指向的 void* 变量，即 ret。pthread_join 成功完成等待和状态获取后，会返回 0，表示操作成功，当前线程可以继续执行后续代码。

二、线程的局部存储

全局变量是被所有线程共享的。如果我们的线程需要有自己的私有数据，即只能自己访问而其他线程不能访问，我们可以在全局变量前加上关键字 __thread 来修饰，这是编译器为我们提供的只能用来修饰内置类型的关键字。

以下是相关的代码示例：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>
using namespace std;

#define NUM 3
int *p = nullptr;
__thread int val = 100;

class ThreadInfo {
public:
    ThreadInfo(const string &threadname) : threadname_(threadname) {}
public:
    string threadname_;
};

string toHex(pthread_t tid) {
    char buffer[64];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%p", tid);
    return buffer;
}

void *threadroutine(void *args) {
    int i = 0;
    ThreadInfo *ti = static_cast<ThreadInfo*>(args);
    while(i < 5) {
        printf("%s, tid: %s, pid: %d, val: %d, &val: 0X%p\n", ti->threadname_.c_str(), toHex(pthread_self()).c_str(), getpid(), val, &val);
        val++;
        i++;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

int main() {
    vector<pthread_t> tids;
    vector<ThreadInfo> thread_datas;
    for(int i = 0; i < NUM; i++) {
        thread_datas.emplace_back("Thread-" + to_string(i + 1));
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, nullptr, threadroutine, &thread_datas.back());
        tids.push_back(tid);
    }
    for(auto tid : tids) {
        pthread_join(tid, nullptr);
    }
    return 0;
}

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通过观察我们可以发现，在相同线程的情况下，val 的值是递增的，但对于不同的线程之间，val 值是没有关系的。因此，我们通过关键字 __thread 实现了线程的局部存储，这些属于每个线程的 val 的地址在线程的独立栈中。

三、初步理解线程互斥

互斥的概念
- 临界资源：多线程执行流共享的资源称为临界资源。
- 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码称为临界区。
- 互斥：任何时刻，有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源（对临界资源起保护作用）。
- 原子性：不会被任何调度机制打断的操作，是不可再分隔的动作，该操作只有两种状态，一是完成，二是未完成（早期化学中，原子是组成物质的最小的不可分割的单位，在这样的背景下提出的原子性）。
在大部分情况下，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况下，变量属于单个线程，其他线程无法获得这个变量。但有时候，很多变量需要在线程之间共享，这些变量被称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
需要互斥的原因

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在各个线程访问共享变量的时候，会出现多进程并发的操作，可能会带来一些问题。

下面是一个经典的抢票问题，每个线程访问到共享资源的票数就给它减一，就相当于是抢走一张票。

以下是相关的代码示例：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

#define NUM 4

class threadData {
public:
    threadData(int number) {
        threadname = "thread-" + to_string(number);
    }
public:
    string threadname;
};

int tickets = 1000;

void *getTicket(void *args) {
    threadData *td = static_cast<threadData*>(args);
    const char *name = td->threadname.c_str();
    while (true) {
        if(tickets > 0) {
            usleep(1000);
            printf("who=%s, get a ticket: %d\n", name, tickets);
            tickets--;
        }
        else
            break;
    }
    printf("%s ... quit\n", name);
    return nullptr;
}

int main() {
    vector<pthread_t> tids;
    vector<threadData> thread_datas;
    for (int i = 1; i <= NUM; i++) {
        thread_datas.emplace_back(i);
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, &thread_datas.back());
        tids.push_back(tid);
    }
    for(auto tid : tids) {
        pthread_join(tid, nullptr);
    }
    return 0;
}

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我们将程序执行两遍：

第一遍：

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第二遍：

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我们发现，抢票怎么还能抢出第0票呢，甚至还有-1、-2票？而且竟然还有抢到一张票的情况，下面我们来详解一下。

首先，如果我们只讨论一个线程，整个抢票的过程就是，ticket 在内存中，线程读取 ticket，然后线程把 ticket 变量放到 CPU 上，CPU 进行 -- 操作，然后再放回内存中，将原来的值覆盖。我们这么说，这个过程是不是变得很慢了呢，所以在我们读取 ticket 之后，其他线程也来读取了，最后我们执行一圈后，如果他们都是一起执行完的，那么原来1000的值就变成了999，他们都抢到了第1000张票，这就是重复抢到同一张票的原因。出现负数也是这个原因，只不过不是同一时间做出返回内存的行为，在 CPU 进行计算的时候，要重新读取数据，如果开始时所有线程都 ticket==1，判断这里就能过得去，然后一个线程拿到了最后一张票1，其他三个线程就拿到了“假票”0、-1、-2，这就是我们要进行进程互斥的原因。

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