线程介绍：从诞生背景到多线程编程实践
线程介绍：从诞生背景到多线程编程实践
线程是现代软件系统中一个重要的概念，它与进程一起构成了计算机资源管理的基础。本文将从线程的诞生背景开始，详细解释线程与进程的关系，并通过工厂和工人的类比帮助读者理解这一概念。此外，本文还将介绍多线程编程的基础知识，包括POSIX标准在类UNIX系统中的应用，以及如何编写第一个多线程程序。
1、线程的诞生背景
现代软件系统中，除了进程之外，线程也是一个十分重要的概念。
线程一词于 1967 年左右首次提出，是计算机硬件和软件发展过程中诞生的产物。
一台计算机能利用的资源是有限的，人们想出了很多种提高计算机资源利用率的方法，比如让多个程序同时执行（多进程）。
继多进程编程后，多线程编程是另一种实现程序同时执行的有效方法，特别是随着 CPU 频率的增长速率趋于平缓，开始往多核的方向发展，多线程编程变得越来越重要。
一台计算机所能利用的资源总是有限的，比如 CPU 在 1 秒钟之内最多执行 1 亿条指令，计算机一共有 1GB 的内存空间等等。因此，“如何提高计算机资源的利用率”是人们一直思考的问题，这个问题也一直带动着计算机硬件和软件的发展。
计算机诞生初期，任何操作系统和软件，只能运行机器指令，完成一些简单的数学运算。
受到当时价格因素的制约，计算机并不普及，拥有者主要是政府、大型机构和公司，一台计算机往往由多个用户共同使用。计算机由专人负责操控，如果有用户想让计算机运行一段指令，必须先将指令输入到打孔卡（一种存储设备）中，然后交给计算机管理员，由计算机管理员负责将指令输入到计算机中执行。
随着对计算机资源利用率的要求不断提升，人们逐渐发现，计算机资源的利用率受管理员的影响非常大。例如，计算机每执行完一个任务，都要等待管理员输入下一个任务，期间很多硬件资源（比如 CPU、某些输入输出设备）都处于空闲状态。
为此，人们设计出了批处理操作系统，由它代替计算机管理员完成任务的切换工作。当计算机执行完某一任务时，批处理系统会自动将下一个要执行的任务输入到计算机中，缩减了任务切换所花费的时间，提高了计算机资源的利用率。
渐渐地人们又发现，批处理系统操控计算机执行的过程中，计算机的 CPU 资源仍经常处于空闲状态。当执行中的程序进行 I/O 操作时，CPU 只能等待其 I/O 操作完成后继续工作，这段时间内 CPU 就处于空闲状态。
在批处理系统（又称单道批处理操作系统）的基础上，人们又设计出了功能更强大的多道批处理操作系统。和先前的系统相比，多道批处理系统主要有以下两点优势：
- 它将计算机的内存分成很多区域，每个区域都可以存储一个程序
- 当执行的程序执行 I/O 操作时，操作系统会将 CPU 资源分配给其它等待执行的程序
也就是说，多道批处理操作系统可以“同时”执行多个程序，这样的操作系统又称多任务操作系统。
为了使多任务系统更高效地完成计算机资源的分配和回收，便于管理各个程序的执行过程，人们提出了“进程”的概念。
进程指正在执行的应用程序。多任务操作系统可以控制各个进程的执行状态，例如终止某个正在执行的进程，启动某个暂停执行的进程等。操作系统负责为每个进程分配独立的内存空间和其它所需资源（例如 I/O 设备、文件等），进程执行完毕后，操作系统会将进程占用的资源全部回收。
早期的多任务操作系统，以进程为单位管理各个程序的运行以及计算机资源的分配和回收，进一步提高了计算机资源的利用率。但随着计算机硬、软件的发展，人们发现还可以做进一步优化，例如：
- 操作系统将 CPU 资源从一个进程分配给另一个进程时，开销较大
- 各个进程占用的内存空间是相互独立的，大大增加了进程间通信的实现难度
- 一个进程可能会执行多个任务，当某个任务因 I/O 操作暂停执行时，其他任务将无法执行
计算机软、硬件快速发展，人们对计算机运行效率的要求越来越高，“线程”应运而生。
2、线程介绍
一个进程指一个正在执行的应用程序。线程对应的英文名为“thread”，它的功能是执行应用程序中的某个具体任务，比如一段程序、一个函数等。
线程和进程之间的关系，类似于工厂和工人之间的关系，进程好比是工厂，线程就如同工厂中的工人。一个工厂可以容纳多个工人，工厂负责为所有工人提供必要的资源（电力、产品原料、食堂、厕所等），所有工人共享这些资源，每个工人负责完成一项具体的任务，他们相互配合，共同保证整个工厂的平稳运行。
每个进程执行前，操作系统都会为其分配所需的资源，包括要执行的程序代码、数据、内存空间、文件资源等。一个进程至少包含 1 个线程，可以包含多个线程，所有线程共享进程的资源，各个线程也可以拥有属于自己的私有资源。
- 进程仅负责为各个线程提供所需的资源，真正执行任务的是线程，而不是进程。
- 代码：即应用程序的代码
- 数据：包括全局变量、函数内的静态变量、堆空间的数据等
- 进程空间：操作系统分配给进程的内存空间
- 打开的文件：各个线程打开的文件资源，也可以为所有线程所共享，例如线程 A 打开的文件允许线程 B 进行读写操作。
各个线程也可以拥有自己的私有资源，包括寄存器中存储的数据、线程执行所需的局部变量（函数参数）等。
3、多线程
多线程：一个进程中拥有多（≥2）个线程，线程之间相互协作、共同执行一个应用程序。
通常将以“多线程”方式编写的程序称为“多线程程序”，将编写多线程程序的过程称为“多线程编程”，将拥有多个线程的进程称为“多线程进程”。
当进程中仅包含 1 个执行程序指令的线程时，该线程又称“主线程”，这样的进程称为“单线程进程”。
如今很多应用程序（软件）都是多线程程序，例如 QQ 具备同时和多人聊天的能力、迅雷具备同时下载多个资源的能力、很多杀毒软件可以同时开启杀毒、清理垃圾、电脑加速等功能。
大多数操作系统都支持同时执行多个程序，包括常见的 Windows、Linux、Mac OS X 操作系统等。为了避免多个程序访问系统资源（包括文件资源、I/O 设备、网络等）时产生冲突，操作系统会将可能产生冲突的系统资源保护起来，阻止应用程序直接访问。如果程序中需要访问被操作系统保护起来的资源，需使用操作系统规定的方法（函数、命令），我们习惯将这些调用方法（函数、命令）称为接口（ A pplication P rogramming I nterface，API）。
事实上，无论用哪种编程语言编写多线程程序，最终都要借助操作系统预留的接口实现。
4、POSIX 标准
类 UNIX 系统有很多种版本，包括 Linux、FreeBSD、OpenBSD 等，它们预留的系统调用接口各不相同。但幸运的是，几乎所有的类 UNIX 系统都兼容 POSIX 标准。
POSIX（ P ortable O perating S ystem I nterface，可移植操作系统接口）最后的字母 X 代指类 UNIX 操作系统。POSIX 标准发布的初衷就是为了统一所有类 UNIX 系统的接口，只要我们编写的程序严格按照 POSIX 标准调用系统接口，它就可以在任何兼容 POSIX 标准的类 UNIX 系统上运行。
- 很多支持 POSIX 标准的类 UNIX 操作系统并没有从根本上修改自己的 API，它们仅仅通过对现有的 API 进行再封装，生成了一套符合 POSIX 标准的系统接口，进而间接地支持 POSIX 标准。
POSIX 标准中规范了与多线程相关的系统接口。在 Linux 系统上编写多线程程序只需在程序中引入
<pthread.h>头文件，调用该文件中包含的函数即可实现多线程编程。注意：
pthread.h头文件中只包含各个函数的声明部分，具体实现位于libpthread.a库中。
5、第一个多线程程序
//定义线程要执行的函数，arg 为接收线程传递过来的数据 printf("https://www.yuque.com/it-coach/c_cpp\n");// 定义线程要执行的函数, arg 为接收线程传递过来的数据 pthread_t mythread1, mythread2; NULL: 不传递给 ThreadFun() 函数任何参数 返回值 res 为 0 表示线程创建成功, 反之则创建失败 res = pthread_create(&mythread1, NULL, Thread1, NULL); res = pthread_create(&mythread2, NULL, Thread2, NULL); 等待指定线程执行完毕(令主线程等待 mythread1 线程执行完毕后再执行后续的代码) &thead_result: 接收 ThreadFun() 函数的返回值, 或接收 pthread_exit() 函数指定的值 返回值 res 为 0 表示函数执行成功, 反之则执行失败 res = pthread_join(mythread1, &thread_result); printf("%s\n", (char*)thread_result); // 令主线程等待 mythread2 线程执行完毕后在执行后续的代码 res = pthread_join(mythread2, &thread_result); printf("%s\n", (char*)thread_result);
# 必须包含 "-plthread" 参数, 否则会导致程序链接失败gcc thread.c -o thread.out -lpthreadhttps://www.yuque.com/it-coach/c_cpp
- 程序中共存在 3 个线程，包括本就存在的主线程以及两个调用
pthread_create()函数创建的线程（又称子线程），其中名为mythread1的线程负责执行thread1()函数，名为mythread2的线程负责执行thread2()函数。