Linux嵌入式学习——线程与线程控制

一、线程的概念

线程是轻量级的进程，线程属于某个进程。一个进程可以有多个线程。

1. 进程与线程相同点

2. 进程与线程不同点

3. 线程编程的步骤 POSIX

POSIX 是操作系统接口标准，POSIX 线程（pthread） 就是遵循该标准的线程 API。

1> pthread_create 创建 →
2> 线程函数里操作自己的栈区和共享资源 →
3> pthread_join / pthread_detach 回收资源。因为默认是 joinable 状态，线程退出后栈区不会自动释放，必须 join 或 detach，否则资源泄漏。

3.1 什么是POSIX

POSIX=PortableOperatingSystemInterface（可移植操作系统接口），是IEEE 制定的一套标准，规定操作系统应该提供哪些接口（系统调用、库函数、线程 API 等）。

所以“POSIX 线程编程步骤”= 用pthread 标准 API写多线程的流程。

4. linux中查看进程的相关命令

4.1 ps -eLo pid,ppid,lwp,stat,comm

ps -eLo pid,ppid,lwp,stat,comm

常见基础状态：

R (Running/Runnable)：运行中或正在等待 CPU 时间片。

S (Sleeping)：可中断的睡眠状态（比如在等网络、等键盘输入、等锁）。最常见的状态。

D (Disk Sleep)：不可中断的睡眠状态（通常在等待磁盘 I/O，此时连 kill -9 都杀不掉）。

T (Stopped)：暂停状态（比如被 SIGSTOP 信号暂停，或在调试器中被断点卡住）。

Z (Zombie)：僵尸状态（进程已经结束，但父进程还没回收它）。

X (Dead)：彻底死亡。

常见附加修饰符（跟在基础状态后面）：

<：高优先级。

N：低优先级。

l：多线程（如果是进程级别的状态，带 l 说明它有子线程）。

s：会话首进程（Session leader）。

+：位于前台进程组。

4.2 ps -eLf，效果如下：

ps -eLf ps：Process Status，查看进程状态。 -e：代表 Every，显示系统中所有的进程（等同于 -A）。 -L：代表 LWP (Light Weight Process，轻量级进程)，加上这个参数就会显示线程信息。 -f：代表 Full，以全格式显示详细信息（包含 UID, PID, PPID 等）。

二、线程的创建

1. 函数：pthread_create()；创建线程

注意回调函数，第三个参数。

pthread_t tid; 定义线程号：用于保存新创建线程的 ID，pthread_join/detach需使用 int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg); pthread_t *thread 出参：指向 pthread_t 变量的指针。 调用成功后，内核把新线程的 ID 写入 *thread（即 &tid）。 必须传有效地址，不能传 NULL。 const pthread_attr_t *attr 入参：线程属性（栈大小、分离状态、调度策略等）。 传 NULL 表示使用默认属性（可结合、默认栈大小、默认调度）。 需要定制时先 pthread_attr_init 再传入。 void *(*start_routine) (void *) 入参：线程入口函数指针，即线程启动后执行的函数。 原型必须严格是 void *func(void *)，参数和返回值都是 void*。 返回值可被 pthread_join 的第二个参数接收。 void *arg 入参：传给 start_routine 的唯一参数，类型为 void*。 需要传多个值时可传结构体指针（注意生命周期/内存管理）。 不需要参数时传 NULL。 返回值：成功返回 0；失败返回错误码（非 errno）， 如 EAGAIN（资源不足）、EINVAL（属性非法）、EPERM（无权限）。 注意：pthread 函数返回的是错误码本身，不要用 perror，应 strerror(ret)。

2. 函数:pthread_self()；获取线程号

pthread_t tid; 定义变量接收当前线程的 ID (pthread_t 在 Linux 下本质是 unsigned long int) pthread_t pthread_self(void); 返回值： 成功：返回当前线程的线程 ID (pthread_t 类型)。 失败：无。POSIX 标准规定该函数永远成功（因为它只是读取自身的 TCB 数据，无失败可能）。 打印提示：因为 pthread_t 底层通常是 unsigned long int，打印时建议强制转换并搭配 %lu： printf("%lu\n", (unsigned long)pthread_self()); void 入参：void（无参数）。 不需要传任何东西，它只针对“调用它的那个线程”自己生效。

三、线程的退出和回收

1. 线程自行退出

void pthread_exit(void *retval); void *retval 入参：线程退出时的返回状态（"临死遗言"）。 可以通过强转传整数，如 (void *)1。 也可以传 malloc 分配的堆内存地址。 【大坑】绝不能传线程内部栈区局部变量的地址！ 因为线程退出后栈区会被释放，主线程 join 拿到的是野指针。 返回值：无（该函数调用后线程即终止，不会返回到调用者）。 对比：exit() 是终止整个进程（所有线程），return 只能在主函数或线程函数里用。 如果在子线程中调用 exit()，整个程序都会挂掉！

2. 请求取消线程

int pthread_cancel(pthread_t thread); pthread_t thread 入参：要取消的目标线程的 ID。 返回值：成功返回 0；失败返回错误码（非0）。 【重要机制】：pthread_cancel 只是“提出请求”，并不是立刻“强杀”。 目标线程必须运行到“取消点”（Cancellation Point，如 sleep, read, write 等系统调用，或主动调用 pthread_testcancel）才会真正退出。 如果目标线程是一个没有取消点的死循环（比如 while(1){}），它是不会理睬这个取消请求的。

3. 阻塞回收

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); pthread_t thread 入参：要回收（等待）的目标子线程 ID。 void **retval 出参：二级指针，用于接收子线程退出的返回值（即 pthread_exit 或 return 传出的东西）。 如果只传 NULL，表示只回收资源，不关心返回值。 【用法示例】： void *ret = NULL; pthread_join(tid, &ret); // 此时 ret 就拿到了子线程的遗言。 返回值：成功返回 0；失败返回错误码（非0）。 【注意】： 1. 这是阻塞函数，调用它的线程（通常是主线程）会一直卡在这里，直到目标线程结束。 2. 一个线程只能被 join 一次。 3. 线程不能 join 自己。 4. 已经被 pthread_detach 分离的线程，不能再 join。

4. 设置分离属性

int pthread_detach(pthread_t thread); pthread_t thread 入参：要设置为分离状态的目标线程 ID。 如果在子线程内部想分离自己，填 pthread_self() 即可。 返回值：成功返回 0；失败返回错误码（非0）。 【作用】：告诉系统：“这个线程死掉后，它的资源（如 8MB 的栈区）你直接帮我回收，不用等别人 join”。 【注意】： 1. 分离属性一旦设置，就无法再改回可结合（joinable）状态。 2. 如果设置分离，主线程就不能再调用 pthread_join，否则会报错（EINVAL）。 3. 常用来处理“不需要关心运行结果、跑完拉倒”的后台任务。

四、线程控制

1. 互斥

概念：在多线程中对临界资源的排他性访问。

临界资源：多线程中会被读写操作的资源（全局变量、文件、设备）。

排他访问：同一时刻只能有一个线程进行读写操作。

为什么需要：多线程并发穿插执行时，像 A++ 这种操作在汇编层面至少是 3 句指令。如果线程 1 执行一半被切走，线程 2 接着执行，会导致数据一致性问题（竞态条件）。

使用步骤：定义锁 -> 初始化锁 -> 加锁 -> 解锁 -> 销毁。

1.1 互斥相关函数

1. 定义互斥锁 pthread_mutex_t mutex; 2. 初始化锁 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); 功能：将已经定义好的互斥锁初始化。 参数：mutex 要初始化的互斥锁。 attr 初始化的值，一般是 NULL 表示默认锁。 返回值：成功 0；失败 非零。 3. 加锁 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); 功能：用指定的互斥锁开始加锁代码。 加锁后的代码到解锁部分属于【原子操作】，在加锁期间其他线程不能操作该部分代码。 如果 mutex 已经被其他线程使用，则该函数会【阻塞】。 参数：mutex 用来给代码加锁的互斥锁。 返回值：成功 0；失败 非零。 4. 解锁 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); 功能：将指定的互斥锁解锁。 解锁之后代码不再排他访问，一般加锁解锁成对出现。 参数：mutex 用来解锁的互斥锁。 返回值：成功 0；失败 非零。 5. 销毁锁 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); 功能：使用互斥锁完毕后需要销毁互斥锁。 参数：mutex 要销毁的互斥锁。 返回值：成功 0；失败 非零。

2. 同步

概念：有一定先后顺序的对资源的排他性访问。
用途：在多线程中，让线程按照一定顺序运行。、

使用步骤：定义信号量 -> 初始化 -> PV 操作 -> 销毁。

2.1 同步与互斥的区别：

互斥包含同步，同步是互斥的特例。
操作线程：互斥锁的加锁和解锁必须是同一个线程；信号量（同步）是由线程交叉释放（th1 释放 th2，th2 释放 th1）。
临界区要求：互斥锁保护的代码（临界区）要求短小精悍，不能有休眠或大耗时操作；信号量适当可以有休眠或小的耗时操作。
计数信号量：信号量的初值可以大于 1（如 3、5），用于资源本身不唯一的互斥情况（多个相同资源）。

2.2 同步相关函数

1. 定义信号量 sem_t sem; 2. 初始化信号量 int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 功能：将已经定义好的信号量赋值。 参数：sem 要初始化的信号量。 pshared =0 表示线程间使用信号量；!=0 表示进程间使用。 value 信号量的初始值。一般无名信号量都是二值信号量(0 或 1)。 0 表示红灯（阻塞）；1 表示绿灯（通行）。 返回值：成功 0；失败 -1。 3. P 操作（申请资源） int sem_wait(sem_t *sem); 功能：判断当前 sem 是否有资源可用。 有资源(==1)则申请资源，程序继续运行； 没有资源(==0)则线程【阻塞等待】，一旦有资源则自动申请并继续运行。 注意：申请资源后会自动执行 sem = sem - 1。 参数：sem 要判断的信号量资源。 返回值：成功 0；失败 -1。 4. V 操作（释放资源） int sem_post(sem_t *sem); 功能：将指定的 sem 信号量资源释放。 默认执行 sem = sem + 1；线程在该函数上【不会阻塞】。 参数：sem 要释放资源的信号量。 返回值：成功 0；失败 -1。 5. 销毁信号量 int sem_destroy(sem_t *sem); 功能：使用完毕将指定的信号量销毁。 参数：sem 要销毁的信号量。 返回值：成功 0；失败 -1。

3. 死锁（Deadlock）

概念：由于锁资源安排得不合理（锁资源的申请和释放逻辑不对），导致进程或线程无法正常继续执行（推进）的现象。

产生死锁的四个必要条件（必须同时满足才会发生死锁）：

互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。

请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。

循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

五、注意事项

1. 资源与内存

1.1 栈独立，堆共享:独立栈区存局部变量。堆、全局/静态变量、文件描述符由所有线程共享，多线程读写共享数据必须加锁（如 pthread_mutex_t）。
1.2 传参生命周期:arg 为 void*。避免传局部变量地址，防止主线程提前退出或变量失效;推荐：malloc 结构体传参，或将值直接强转指针 (void*)100。
1.3 返回值生命周期:pthread_exit 和 return 的返回指针，禁止指向线程局部变量（栈区销毁会变野指针）;推荐：malloc 堆内存返回，主线程 join 后 free；或直接强转值返回 (void*)1。
1.4 禁用 exit:子线程调用 exit() 会终止整个进程。子线程退出只能用 pthread_exit 或 return。

2. 核心 API 细节

2.1 pthread_create 返回值:成功返回 0，失败返回错误码（非 -1），不修改 errno。需用 strerror(ret)，不能用 perror。
2.2 pthread_self 打印:Linux 下 pthread_t 为无符号长整型，打印需强转：printf("%lu", (unsigned long)pthread_self());
2.3 pthread_cancel 取消点:发送取消请求，目标线程必须运行至“取消点”（如 sleep, read, pthread_testcancel）才会退出。无取消点的纯死循环无法被取消。
2.4 pthread_join 约束:阻塞等待;只能 join 一次；不能自 join；不能 join 已 detach 的线程。

3. 生命周期与回收

3.1 默认属性（joinable）:线程退出后栈区和控制块不自动释放。不 join 也不 detach 会导致僵尸线程（内存泄漏）。
3.2 pthread_detach:设置分离后，线程退出时系统自动回收资源;不可逆：分离后绝不能再次 join。
3.3 主线程退出:主线程 return 或 exit() 会强杀所有子线程。需等待子线程时，必须用 pthread_join 或 pthread_exit(NULL)。

4. 编译与调试

4.1 编译选项:必须加 -pthread：gcc test.c -o test -pthread
4.2 ps 查看线程
ps -eLf:看 NLWP（线程数）、LWP（线程ID）。
ps -eLo pid,ppid,lwp,stat,comm:自定义状态。主线程 LWP = PID;子线程 LWP 独立;STAT 状态：S(睡眠), R(运行), D(不可中断IO), Z(僵尸)。

5. 核心口诀

传参防野指针，返回必用 malloc；
退出千万别用 exit，死循环里加取消点；
建了线程必须收尸（join/detach），编译别忘 -pthread。