Linux 多线程编程基础
在现代操作系统中，多线程技术是提升程序并发性能的重要手段，Linux 作为开源操作系统，其多线程实现主要依赖于 POSIX 线程（pthread）库，pthread 提供了一套标准化的 API，支持线程的创建、同步、通信等功能，为开发者构建高效的多线程应用提供了强大工具，本文将围绕 Linux 多线程的核心概念、线程创建与同步、线程属性控制以及常见问题与优化展开讨论。
线程的创建与管理
在 Linux 中，线程被称为轻量级进程（LWP），其创建和管理通过 pthread_create 函数实现，该函数的原型为：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
thread 参数用于返回新线程的 ID，attr 指向线程属性对象（若为 NULL 则使用默认属性），start_routine 是线程的入口函数，arg 为传递给入口函数的参数，以下代码创建一个打印 “Hello from thread!” 的线程：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
void* thread_func(void* arg) {
printf("Hello from thread!\n");
return NULL;
}
int main() {
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(tid, NULL); // 等待线程结束
return 0;
}
编译时需链接 pthread 库（gcc -o thread thread.c -lpthread），线程创建后，可通过 pthread_join 等待线程结束，或使用 pthread_detach 分离线程（线程结束后自动释放资源）。
线程同步机制
多线程环境下，共享资源的访问可能导致数据竞争（Data Race），pthread 提供了多种同步工具来保证线程安全，包括互斥锁（Mutex）、条件变量（Condition Variable）、读写锁（RWLock）和信号量（Semaphore）。
互斥锁是最基础的同步工具，通过加锁和解锁保护临界区。
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* thread_func(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 用于静态初始化互斥锁，也可通过 pthread_mutex_init 动态初始化。
条件变量通常与互斥锁配合使用，实现线程间的等待与唤醒。pthread_cond_wait 会在解锁后阻塞线程，直到其他线程通过 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 唤醒它，生产者-消费者模型中，消费者线程可等待条件变量，直到生产者线程添加数据后唤醒消费者。
读写锁允许多个读线程或一个写线程同时访问资源，适用于读多写少的场景，通过 pthread_rwlock_rdlock（读锁）和 pthread_rwlock_wrlock（写锁）控制访问权限。
线程属性控制
pthread 允许通过 pthread_attr_t 结构体调整线程属性，包括作用域、栈大小、调度策略等，设置线程栈大小：
pthread_attr_t attr; pthread_attr_init(&attr); size_t stack_size = 1024 * 1024; // 1MB pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size); pthread_create(&tid, &attr, thread_func, NULL); pthread_attr_destroy(&attr);
常见的线程属性包括：
- 作用域：
PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（系统级调度）或PTHREAD_SCOPE_PROCESS（进程级调度）。 - 调度策略：
SCHED_FIFO（实时先进先出）、SCHED_RR（实时轮转）或SCHED_OTHER（分时调度）。 - 分离状态：
PTHREAD_CREATE_JOINABLE（可结合，默认）或PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离）。
线程通信与数据共享
线程间通信（IPC）是实现协作的关键，pthread 提供了多种方式：
- 共享内存：全局变量或堆内存是线程间最直接的数据共享方式，但需配合同步机制避免竞争。
- 消息队列：通过
mq_open、mq_send和mq_receive等函数实现线程间的消息传递，适用于异步通信场景。 - 线程特定数据（TSD）：每个线程可拥有独立的数据副本，通过
pthread_key_create创建键，pthread_setspecific和pthread_getspecific访问数据，避免全局锁带来的性能开销。
常见问题与优化
多线程编程中需注意以下问题：
- 死锁：多个线程因竞争资源而相互阻塞，通常由锁的顺序不当或未释放锁导致，避免死锁的原则包括：按固定顺序加锁、避免嵌套锁、使用
pthread_mutex_trylock尝试非阻塞加锁。 - 竞态条件：共享资源未受保护导致数据不一致，需通过互斥锁或原子操作（如
__sync_fetch_and_add）解决。 - 线程泄漏：未正确分离或结合线程导致资源无法释放，需确保线程结束时调用
pthread_join或pthread_detach。
优化多线程性能时，可考虑：减少锁粒度（如使用细粒度锁）、无锁数据结构（如 CAS 操作）、避免频繁创建/销毁线程（使用线程池）以及合理设置线程亲和性（pthread_setaffinity_np）以减少 CPU 缓存失效。
Linux 多线程编程通过 pthread 库提供了灵活高效的并发解决方案，从线程的创建与管理，到同步机制、属性控制及通信方式，开发者可根据应用场景选择合适的技术手段，在实际开发中，需重点关注线程安全与性能优化，避免死锁、竞态条件等问题，充分发挥多核 CPU 的计算能力，随着多核技术的普及，深入理解 Linux 多线程编程将成为开发者提升应用性能的重要技能。
