第37章多线程基础

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第37章多线程基础：pthread创建、等待、退出，线程同步问题

多线程编程，说白了就是让程序同时干几件事。你想想看，一个单线程的程序，就像只有一个工人的流水线，活儿再多也得一件一件来。而多线程呢，就是多招了几个工人，大家一起干，效率自然就上去了。

不过，多招工人也有麻烦——他们可能会抢同一把螺丝刀。这就是线程同步要解决的问题。我个人习惯把多线程编程比作“带规矩的群架”，规矩定好了，大家才能打得漂亮。

1. 线程的创建、等待与退出

在Linux环境下，我们用的最多的就是POSIX线程库，也就是pthread。这套接口很成熟，我做了这么多年嵌入式，几乎每个带操作系统的项目都离不开它。

1.1 创建线程：pthread_create

创建线程的接口长这样：

#include <pthread.h>

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

参数看着多，其实核心就三个：线程ID、线程函数、传给函数的参数。attr一般传NULL，用默认属性就行。

我在项目中遇到过一个问题：线程函数如果写成int func()而不是void *func(void *)，编译会报警告，运行时还可能栈溢出。嗯，这里要注意，pthread_create要求线程函数的签名必须是void *(*)(void *)，别图省事写错了。

小技巧： 如果你需要给线程函数传多个参数，可以定义一个结构体，把参数打包进去，然后传结构体指针。我经常这么干，比传多个参数清爽多了。

1.2 等待线程：pthread_join

主线程创建了子线程，有时候需要等子线程干完活再继续。这时候就用pthread_join：

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

这个函数会阻塞调用线程，直到指定的线程退出。第二个参数可以拿到线程的返回值。如果你不关心返回值，传NULL就行。

我曾经犯过一个低级错误：在子线程里调用了pthread_join等自己，结果死锁了。你想想看，自己等自己，就像一个人揪着自己头发想飞起来，怎么可能？

1.3 线程退出：pthread_exit

线程退出有三种方式：

线程函数执行完，自然返回
调用pthread_exit主动退出
被其他线程调用pthread_cancel取消

我个人习惯在线程函数末尾显式调用pthread_exit，这样代码意图更明确。尤其是当线程函数里有复杂的嵌套逻辑时，一眼就能看出退出点在哪。

void *worker(void *arg) {
    // 干活...
    pthread_exit((void *)0);
}

警告： 千万不要在线程退出后，还去访问线程栈上的局部变量。线程一退出，栈空间就释放了，访问野指针会出段错误。我调试过这种bug，查了两天才定位到，血泪教训。

2. 线程同步：别让工人抢工具

多线程最大的坑就是数据竞争。两个线程同时写一个全局变量，结果可能不是你想要的。为什么会这样？因为CPU的指令不是原子的，一个i++在底层可能是三条指令：读、加、写。两个线程交错执行，数据就乱了。

解决同步问题，常用的工具有三种：互斥锁、条件变量、读写锁。我一个个说。

2.1 互斥锁：pthread_mutex

互斥锁就像厕所的门锁——一个人进去，把门锁上，其他人只能在外面等。用起来很简单：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *counter(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        global_count++;  // 临界区
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

注意，锁的粒度要适中。锁得太细，性能差；锁得太粗，并发度低。我在项目中一般遵循“最小临界区”原则——只锁真正需要保护的代码，别把无关操作也包进去。

  核心要点： 使用互斥锁时，一定要保证每个分支都能解锁。如果某个分支提前return了，锁没释放，其他线程就会永远等下去。这就是死锁。

2.2 条件变量：pthread_cond

条件变量用于线程间的“通知”。比如生产者-消费者模型：生产者生产了数据，通知消费者来取。消费者没数据时，就等着。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int data_ready = 0;

// 生产者
void *producer(void *arg) {
    // 生产数据...
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    data_ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);  // 通知消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

// 消费者
void *consumer(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!data_ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 等待通知
    }
    // 消费数据...
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

这里有个细节：pthread_cond_wait必须在循环里调用。为什么？因为可能发生“虚假唤醒”——线程被唤醒了，但条件并不满足。我在项目中遇到过这种情况，加了while循环后就稳了。

2.3 读写锁：pthread_rwlock

读写锁适合“读多写少”的场景。多个线程可以同时读，但写的时候只能有一个线程，且不能有读操作。

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

// 读操作
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
// 读取共享数据...
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

// 写操作
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
// 修改共享数据...
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

我一般在缓存系统或配置表更新时用读写锁。比如一个全局配置表，99%的时间是读，只有1%的时间是写。用互斥锁的话，读操作也要排队，太浪费了。读写锁就完美解决了这个问题。

3. 知识体系总览

下面这张图总结了多线程编程的核心知识点，我画的时候特意把同步问题放在中心，因为这是最容易出bug的地方。

4. 避坑指南：我踩过的那些坑

多线程的坑，我踩过不少。挑几个典型的说说：

忘记初始化锁： 静态初始化的锁没问题，但动态分配的锁一定要调pthread_mutex_init。我曾经在堆上分配了一个锁结构体，直接用了，结果锁根本不起作用。查了半天才发现没初始化。
信号处理与线程： 多线程程序里，信号的处理很复杂。我建议只在主线程里处理信号，子线程全部屏蔽信号。否则信号来了，不知道发给哪个线程，程序行为就不可预测了。
线程栈大小： 嵌入式系统里，默认线程栈可能只有1MB。如果你的线程函数里定义了大的局部数组，栈会溢出。我一般用pthread_attr_setstacksize显式设置栈大小，心里踏实。

调试技巧： 用gdb调试多线程程序时，可以用info threads查看所有线程，用thread N切换到指定线程。配合backtrace看调用栈，定位死锁很方便。

5. 总结

多线程编程，说白了就是三件事：创建线程、同步数据、避免死锁。创建线程的API很简单，但同步问题才是真正的考验。我个人觉得，写多线程代码时，脑子里要时刻想着“这个变量会不会被两个线程同时访问？”——多问自己几遍，能避免很多bug。

嗯，最后说一句：多线程不是银弹。如果你的任务可以拆成独立的子任务，用多进程或者异步IO可能更简单。别为了用多线程而用多线程，合适才是最好的。

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