第25章线程基础

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线程基础：从进程到线程的进化

说实话，我第一次接触线程这个概念时，心里是有点抵触的。那时候我习惯了fork()创建进程，觉得进程模型挺清晰的——各干各的，互不干扰。直到我在一个网络服务器项目里，发现每来一个客户端就fork一个进程，内存开销大得吓人，进程间通信也搞得我焦头烂额。嗯，从那时起，我才真正理解了线程存在的意义。

线程是什么？

线程，说白了就是「轻量级进程」。你想想看，进程创建时要复制一大堆东西——地址空间、文件描述符表、信号处理函数……而线程呢？它只创建必要的执行上下文，比如栈、寄存器状态、程序计数器。其他东西，比如代码段、数据段、堆内存，统统和创建它的进程共享。

我习惯这样理解：进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但各自独立执行。

核心区别一句话：进程有独立的地址空间，线程共享地址空间。

线程的优势——为什么我们需要它？

我在做嵌入式Linux项目时，遇到过这样一个场景：需要同时采集传感器数据、处理用户输入、刷新显示界面。如果用多进程，光IPC（进程间通信）就能写出一堆bug。用线程就简单多了——共享内存，直接读写全局变量。

线程的优势主要体现在这几个方面：

创建开销小——创建线程比创建进程快10-100倍。我实测过，在x86_64 Linux上，pthread_create大约需要几微秒，而fork需要几十微秒。
通信效率高——共享内存，不需要管道、消息队列这些IPC机制。但要注意同步问题，这个后面会讲。
资源占用少——线程只占栈空间和线程控制块，不像进程要复制整个地址空间。
切换速度快——同一进程内的线程切换，不需要切换页表，TLB不用刷新。

我的经验：如果你需要频繁创建和销毁执行单元，或者需要大量数据共享，线程是更好的选择。但如果需要强隔离（比如一个子任务崩溃不影响其他任务），进程更合适。

三个核心API：pthread_create / pthread_exit / pthread_join

Linux下线程编程用的是POSIX线程库，也就是pthread。使用时要链接-lpthread。我刚开始学的时候，经常忘记加这个链接选项，编译报错半天找不到原因。

pthread_create——创建线程

函数原型长这样：

#include <pthread.h>

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

参数说明：

thread：输出参数，返回线程ID
attr：线程属性，传NULL使用默认属性
start_routine：线程入口函数，返回void*，参数void*
arg：传给线程函数的参数

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

来看个最简单的例子：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void *thread_func(void *arg) {
    int *num = (int *)arg;
    printf("子线程收到参数: %d\n", *num);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int value = 42;

    if (pthread_create(&tid, NULL, thread_func, &value) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }

    printf("主线程等待子线程...\n");
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("子线程结束，主线程退出\n");
    return 0;
}

注意：传给线程的参数arg必须是线程安全的。我曾经犯过一个错误——在主线程栈上定义一个局部变量，然后传给子线程。结果主线程先退出了，子线程访问的是已经失效的栈内存。嗯，这种bug很难查。

pthread_exit——线程主动退出

线程退出有三种方式：

线程函数执行完return
调用pthread_exit()
被其他线程调用pthread_cancel()取消

pthread_exit的原型：

void pthread_exit(void *retval);

retval是线程的返回值，可以被pthread_join获取。注意：retval指向的内存必须是有效的，不能是线程栈上的局部变量。

我习惯这样用：

void *worker(void *arg) {
    // 做一些工作...
    int *result = malloc(sizeof(int));
    *result = 100;
    pthread_exit((void *)result);
}

小技巧：在主线程中调用pthread_exit()，主线程会退出，但进程不会结束，其他子线程会继续运行。这和return不一样，return会导致整个进程退出。

pthread_join——等待线程结束

这个函数的作用和进程的wait()类似——阻塞等待指定线程退出，并获取其返回值。

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

参数：

thread：要等待的线程ID
retval：二级指针，用于接收线程的返回值。如果不需要，传NULL

完整示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

void *compute(void *arg) {
    int n = *(int *)arg;
    int *sum = malloc(sizeof(int));
    *sum = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        *sum += i;
    }
    pthread_exit((void *)sum);
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int n = 100;

    pthread_create(&tid, NULL, compute, &n);

    void *retval;
    pthread_join(tid, &retval);

    printf("1到%d的和 = %d\n", n, *(int *)retval);
    free(retval);  // 别忘了释放内存
    return 0;
}

线程ID与进程ID

这里有个容易混淆的点。在Linux中，每个线程在内核里其实就是一个轻量级进程（LWP）。所以：

进程ID（PID）：由内核分配，标识一个进程。同一进程内的所有线程共享同一个PID。
线程ID（TID）：由内核分配，标识一个线程。每个线程有自己唯一的TID。
pthread_t：由pthread库维护的线程标识符，用于pthread API调用。

获取方式：

#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

// 获取pthread线程ID
pthread_t self = pthread_self();

// 获取内核线程ID（TID）
pid_t tid = syscall(SYS_gettid);

// 获取进程ID（PID）
pid_t pid = getpid();

我写了个小工具来观察这些ID：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

void *show_ids(void *arg) {
    printf("子线程: PID=%d, TID=%ld, pthread_t=%lu\n",
           getpid(), syscall(SYS_gettid), pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    printf("主线程: PID=%d, TID=%ld, pthread_t=%lu\n",
           getpid(), syscall(SYS_gettid), pthread_self());

    pthread_create(&tid, NULL, show_ids, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

运行结果类似：

主线程: PID=12345, TID=12345, pthread_t=140736000000000
子线程: PID=12345, TID=12346, pthread_t=140735000000000

看到了吗？PID相同，TID不同。主线程的TID等于PID，因为它是进程中的第一个线程。

关键点：pthread_t是用户态的线程标识，TID是内核态的线程标识。pthread_t只在同一进程内有意义，不能跨进程使用。

知识体系总览

下面这张图总结了线程基础的核心概念和API关系：

避坑指南

最后分享几个我踩过的坑：

线程栈大小——默认线程栈是8MB，如果递归调用太深或者局部变量太大，会栈溢出。可以用pthread_attr_setstacksize()调整。
线程安全——多个线程同时读写同一变量，一定要加锁。我见过太多因为没加锁导致的数据竞争bug。
僵尸线程——创建了线程但不join也不detach，线程退出后资源无法回收，造成内存泄漏。要么pthread_join，要么pthread_detach。
信号处理——多线程程序中的信号处理很复杂，建议只在主线程中处理信号，其他线程用sigprocmask阻塞。

曾经我犯过一个低级错误：在子线程里调用了exit()，结果整个进程直接退出了，其他线程还没干完活。记住，exit()是进程级的，pthread_exit()才是线程级的。

好了，线程基础就讲到这里。这些概念和API是后续学习线程同步、线程池、并发编程的基石。建议你亲手敲一遍代码，看看PID和TID的区别，感受一下线程的创建开销。实践出真知嘛。

📚 课程目录

线程基础：从进程到线程的进化

线程是什么？

线程的优势——为什么我们需要它？

三个核心API：pthread_create / pthread_exit / pthread_join

pthread_create——创建线程

pthread_exit——线程主动退出

pthread_join——等待线程结束

线程ID与进程ID

知识体系总览

避坑指南