初始多執行緒
初始多執行緒
一、基本概念
1.1 應用程式
以 Windows 為例，一個拓展名為 .exe 的文件就是一個應用程式，應用程式是能夠雙擊運行的。
1.2 進程
應用程式運行起來就創建了一個進程，即進程就是運行起來的應用程式；如電腦上運行的 Edge、Typora、PotPlayer 等。
進程的特點：
- 一個進程至少包含一個執行緒（主執行緒，main）。
- 可以包含多個執行緒（主執行緒+若干子執行緒）。
- 所有執行緒共享進程的資源。
1.3 執行緒
1.3.1 執行緒概念
我們知道，一個進程指的是一個正在執行的應用程式；而執行緒則是執行進程中的某個具體任務，比如一段程式、一個函數等。
進程想要執行任務就需要依賴執行緒；換句話說，執行緒就是進程中的最小執行單位，並且一個進程中至少有一個執行緒（主執行緒）。
1.3.2 主執行緒
- 每個進程都有一個主執行緒，這個主執行緒是唯一的。
- 當你運行了一個應用程式產生了一個進程後，這個主執行緒就隨著這個進程默默地啟動起來了。
- 主執行緒的生命周期與進程的生命周期相同，它倆同時存在、同時結束，是唇齒相依的關係。
- 一個進程只能有一個主執行緒，就像一個項目中只能有一個 main 函數一樣。
1.4 進程和執行緒的關係
執行緒和進程之間的關係，類似於工廠和工人之間的關係：
- 進程好比是工廠，執行緒就如同工廠中的工人。
- 一個工廠可以容納多個工人，工廠負責為所有工人提供必要的資源（電力、產品原料、食堂、廁所等），所有工人共享這些資源。
- 每個工人負責完成一項具體的任務，他們相互配合，共同保證整個工廠的平穩運行。
進程僅負責為各個執行緒提供所需的資源，真正執行任務的是執行緒，而不是進程。
二、多執行緒概念
提到多執行緒這裡要說兩個概念，就是串列和並行，搞清楚這個，我們才能更好地理解多執行緒。
2.1 串列和並行
2.1.1 串列
所謂串列，其實是相對於單條執行緒來執行多個任務來說的，我們就拿下載文件來舉個例子：當我們下載多個文件時，在串列中它是按照一定的順序去進行下載的，也就是說，必須等下載完 A 之後才能開始下載 B；它們在時間上是不可能發生重疊的。
2.1.2 並行
下載多個文件，多個文件同時進行下載；這裡是嚴格意義上的，在同一時刻發生的，並行在時間上是重疊的。
2.2 多執行緒
了解了串列和並行這兩個概念之後，我們再來說說什麼是多執行緒。舉個例子，我們打開騰訊管家，騰訊管家本身就是一個應用程式，也就是說它就是一個進程，它裡面有很多的功能，我們可以看下圖，能查殺病毒、清理垃圾、電腦加速等眾多功能：
按照單執行緒來說，無論你想要清理垃圾、還是要病毒查殺，那麼你必須先做完其中的一件事，才能做下一件事，這裡面是有一個執行順序的。如果是多執行緒的話，我們其實在清理垃圾的時候，還可以進行查殺病毒、電腦加速等等其他的操作，這個是嚴格意義上的同一時刻發生的，沒有執行上的先後順序。
所謂多執行緒，即一個進程中擁有多個執行緒（≥2，主執行緒+若干子執行緒），執行緒之間相互協作、共同執行一個應用程式。
三、多執行緒編程
我們通常將以「多執行緒」方式編寫的程式稱為「多執行緒程式」，將編寫多執行緒程式的過程稱為「多執行緒編程」，將擁有多個執行緒的進程稱為「多執行緒進程」。
PS：以下程式碼是在 Linux 下運行的。
3.1 pthread_t
定義：typedef unsigned long int pthread_t;。
功能：用於聲明執行緒ID，是一個執行緒標識符。
3.2 pthread_create()
3.2.1 函數介紹
函數原型：int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
頭 文 件：#include <pthread.h>
功能介紹：用來創建一個執行緒
參數介紹：
- 第一個參數為指向執行緒標識符的指針
- 第二個參數用來設置執行緒屬性，一般置為 NULL，表示使用默認屬性
- 第三個參數是執行緒執行的函數，返回值為 void *
- 最後一個參數是執行緒執行函數的參數
返 回 值：
- 當創建執行緒成功時，函數返回0
- 若不為 0 則說明創建執行緒失敗，常見的錯誤返回程式碼為 EAGAIN 和 EINVAL：
- 前者表示系統限制創建新的執行緒，例如執行緒數目過多了
- 後者表示第二個參數代表的執行緒屬性值非法
3.2.2 牛刀小試
下面我們通過程式碼來深入理解如何創建一個子執行緒。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
/* 執行緒執行函數 */
void *func(void *arg)
{
int i;
for (i = 1; i <= 10; i++) //該函數執行動作：列印 10 次 func
{
printf("func[%d]\n", i);
}
return NULL;
}
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
pthread_t th; //定義一個執行緒標識符
/* 使用默認屬性創建執行緒，該執行緒執行 func 函數 */
if (0 != pthread_create(&th, NULL, func, NULL))
{
/* 輸出錯誤日誌並列印相應的錯誤碼 */
printf("fail, errno[%d, %s], \n", errno, strerror(errno));
}
/* 阻塞主執行緒，不然，主執行緒馬上結束，從而使創建的執行緒沒有機會開始執行就結束了 */
sleep(2);
printf("主執行緒結束運行\n");
return 0;
}
注意：編寫 Linux 下的多執行緒程式時，需要使用頭文件pthread.h，連接時需要使用靜態庫 libpthread.a。
運行結果如下：
上述程式碼中，我們通過在 main 中添加 sleep 來阻塞主執行緒，以此保證子執行緒可以正常運行並終止；但通過 sleep 的方式阻塞主執行緒多少會影響程式效率，所以我們需要換一種方式來阻塞主執行緒。
3.3 pthread_join()
3.3.1 小栗子
在講解 pthread_join 前，我們先來通過一個小栗子初步體驗一下為何需要 pthread_join。
場景 1
在簡單的程式中一般只需要一個執行緒就可以搞定，也就是主執行緒：
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
return 0;
}
現在假設我要做一個比較耗時的工作，從一個伺服器下載一個影片並進行處理，那麼我的程式碼會變成：
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
download(); // 下載影片到本地
process(); // 影片處理
return 0;
}
場景 2
如果我需要下載兩個影片素材，一起在本地進行處理，也很簡單：
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
download1(); //下載影片 1
download2(); //下載影片 2
process(); //處理影片 1、2
return 0;
}
本身這麼做完全沒有問題，可是就是有點浪費時間，如果兩個影片能夠同時下載就好了，這時候執行緒就派上了用場。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void *download1(void *arg)
{
puts("子執行緒開始下載第一個影片...");
sleep(6); // 耗時 6s
puts("第一個影片下載完成");
}
void *download2(void *arg)
{
puts("主執行緒開始下載第二個影片...");
sleep(10); // 耗時 10s
puts("第二個影片下載完成");
return NULL;
}
void process()
{
puts("開始處理兩個影片...");
sleep(3); // 耗時 3s
puts("處理完成");
}
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
pthread_t th;
pthread_create(&th, NULL, download1, NULL); // 子執行緒下載影片 1
download2(NULL); // 主執行緒下載影片 2
process();//處理影片1、2
return 0;
}
主執行緒叫來了 th 這個執行緒去下載「影片 1」，自己去下載「影片 2」；減輕了自己的工作量也縮短了時間。
通過download函數的對比，可以發現，兩個影片同時下載肯定是「影片 1」先下載完，這樣在主執行緒下載完「影片 2」的時候，「影片 1」已經準備好了，後面就可以一起進行處理，這沒什麼問題。
但是萬一「影片 1」的下載時間比「影片 2」的時間長呢（比如下載「影片 2」僅需要耗費 3s 的時間）？當「影片 2」下載完成了，但此時子執行緒 th 還沒幹完活，本地還沒有「影片 1」，那麼接下來處理的時候肯定會有問題，或者說接下來不能直接進行處理，要等 th 幹完活後，主執行緒中的process函數才能去處理這兩個影片。
在這種場景下就用到了pthread_join()這個函數。
3.3.2 pthread_join介紹
函數原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
頭 文 件：#include <pthread.h>
功能介紹：用來等待一個執行緒的結束
參數介紹：
- 第一個參數為被等待的執行緒標識符
- 第二個參數為一個用戶定義的指針，它可以用來保存被等待執行緒的返回值
返 回 值：
- On success, pthread_join() returns 0
- On error, it returns an error number
這個函數是一個執行緒阻塞的函數，調用它的函數將一直等待到被等待的執行緒結束為止，當函數返回時，被等待執行緒的資源被收回。
3.3.3 調用 pthread_join
下面，我們通過 pthread_join 修改一下「場景 2」的程式碼：
void *download1(void *arg)
{
puts("子執行緒開始下載第一個影片...");
sleep(6); // 耗時 6s
puts("第一個影片下載完成");
}
void *download2(void *arg)
{
puts("主執行緒開始下載第二個影片...");
sleep(3); // 耗時 3s
puts("第二個影片下載完成");
return NULL;
}
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
pthread_t th;
pthread_create(&th, NULL, download1, NULL); // 子執行緒下載影片 1
download2(NULL); // 主執行緒下載影片 2
pthread_join(th, NULL); // 阻塞主執行緒，直到「影片 1」下載完成
process();//處理影片1、2
return 0;
}
現在下載「影片 1」需要 6s，下載「影片 2」需要 3s；當「影片 2」下載完成後要等待「影片 1」下載完成方可一起進行處理，為了實現這個目的，我們在第 24 行加入了pthread_join()。
在這個場景下，我們明確兩個事情：
Q1：誰調用了pthread_join函數？
- th 這個執行緒對象調用了
pthread_join函數，因此必須等待 th 的下載任務結束了，pthread_join()才能返回。
Q2：在哪個執行緒環境下調用了pthread_join函數？
- th 是在主執行緒的環境下調用了
pthread_join函數的，因此主執行緒要等待 th 的工作做完，否則主執行緒將一直處於阻塞狀態。
這裡不要搞混的是子執行緒 th 真正做的任務（下載「影片 1」）是在另一個執行緒中做的；但是 th 調用
pthread_join函數的動作是在主執行緒環境下做的。
3.3.4 獲取執行緒任務的返回值
子執行緒執行的函數在結束後可能會有返回值：
#define STRING_LEN_24 24
/* 執行緒執行函數 */
void *func(void *arg)
{
int i;
for (i = 1; i <= 10; i++) //該函數執行動作：列印 10 次 func
{
printf("func[%d]\n", i);
}
char *buf = (char *)malloc(STRING_LEN_24);
strncpy(buf, "The child thread ends", STRING_LEN_24 - 1);
return buf;
}
這種情況下，該如何處理呢？還記得pthread_join()函數的第二個參數嗎？這個參數就是用來保存執行緒函數的返回值的：
int main()
{
printf("主執行緒開始運行\n");
pthread_t th;
if (0 != pthread_create(&th, NULL, func, NULL))
{
printf("fail, errno[%d, %s], \n", errno, strerror(errno));
}
char *buf;
pthread_join(th, (void **)&buf);
printf("子執行緒返回值[%s]\n", buf);
printf("主執行緒結束運行\n");
return 0;
}
運行結果：
3.3.5 及時釋放資源
引入一個新的概念：執行緒分離（detach）和非分離（join）狀態。執行緒的分離狀態決定一個執行緒以什麼樣的方式來終止自己。
在默認情況下執行緒是非分離狀態的，這種情況下，原有的執行緒等待創建的執行緒結束。只有當pthread_join()函數返回時，創建的執行緒才算終止，才能釋放自己佔用的系統資源。也就是說，通過默認屬性創建的執行緒必須要通過調用pthread_join()函數來釋放執行緒資源，換句話說，非分離狀態的執行緒一定要調用pthread_join()函數。
對於非分離狀態的執行緒，如果不及時調用pthread_join()函數，則會導致資源泄露。下面就通過創建大量非分離狀態的執行緒，但不調用pthread_join()函數來觀察會出現什麼情況。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
/* 執行緒函數，不作任何操作 */
void *func(void *arg)
{
return NULL;
}
int main()
{
int i;
for (i = 1; ; i++)
{
pthread_t th;
if (0 != pthread_create(&th, NULL, func, NULL))
{
printf("fail, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
break;
}
printf("pthread create succeed[%d]\n", i);
}
return 0;
}
運行結果如下：
通過運行結果可以看出，未及時釋放執行緒導致記憶體資源耗盡，進而導致執行緒創建失敗。
但如果在「第 23 行」添加pthread_join(th, NULL);程式碼，則可以避免這種情況的發生。
3.4 pthread_detach()
函數原型：int pthread_detach(pthread_t thread);
頭 文 件：#include <pthread.h>
功能介紹：從狀態上實現執行緒分離
參數介紹：執行緒標識符
返 回 值：
- On success, pthread_detach() returns 0
- On error, it returns an error number
在「3.3.5 及時釋放資源」時提到了兩個概念：執行緒分離狀態和執行緒非分離狀態。默認創建的執行緒為非分離狀態，那麼如何設置執行緒為分離狀態呢？有兩種方式：
- 調用
pthread_detach()函數。 - 通過
pthread_create()函數的第二個參數來設置執行緒分離。
一般情況下，執行緒終止後，其終止狀態一直保留到其它執行緒調用pthread_join()獲取它的狀態為止（或者進程終止被回收了）。但是執行緒也可以被置為 detach 狀態；如果執行緒被設置為了分離狀態，那麼該執行緒主動與主控執行緒斷開關係。執行緒結束後（不會產生殭屍執行緒），其退出狀態不由其他執行緒獲取，而直接自己自動釋放。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
/* 執行緒函數，不作任何操作 */
void *func(void *arg)
{
return NULL;
}
int main()
{
int i;
for (i = 1; ; i++)
{
pthread_t th;
if (0 != pthread_create(&th, NULL, func, NULL))
{
printf("fail, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
break;
}
pthread_detach(th);//使用 pthread_detach 函數實現執行緒分離
printf("pthread create succeed[%d]\n", i);
}
return 0;
}
注意：不能對一個已經處於 detach 狀態的執行緒調用 pthread_join()，這樣的調用將返回 EINVAL 錯誤。
參考資料
- 執行緒是什麼 (biancheng.net)
- 5個步驟，教你瞬間明白執行緒和執行緒安全_CSDN資訊的部落格-CSDN部落格
- C語言多執行緒編程(一) – 知乎 (zhihu.com)
- pthread_detach函數
- C語言多執行緒 – 小時候挺菜 – 部落格園 (cnblogs.com)
- Linux多執行緒操作pthread_t
