从零开始深入了解操作系统线程管理：踏上并发编程的征程

什么是线程？

线程是计算机程序中的执行流，它与同级线程共享相同的地址空间和资源。一个程序可以创建多个线程，每个线程都可以独立运行。与进程不同，线程不会创建自己的内存空间，而是共享父进程的内存。

线程创建

在 Linux 中，可以使用以下方法创建线程：

#include <pthread.h>

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

• pthread_create 函数创建新线程。
• thread 是输出参数，用于保存新创建的线程的 ID。
• attr 是可选的线程属性，用于指定线程的堆栈大小、优先级等特性。
• start_routine 是线程执行函数的入口点。
• arg 是传递给入口点函数的任意参数。

线程调度

操作系统负责管理线程的执行顺序，称为线程调度。有两种常见的调度算法：

• 时间片轮转调度：每个线程分配一个指定的时间片。当时间片到期时，系统会将 CPU 让给下一个就绪的线程。
• 优先级调度：线程按照优先级运行。高优先级的线程会优先获取 CPU 时间。

线程同步

当多个线程共享资源时，需要使用同步机制来确保数据完整性和程序正确性。常见的同步原语有：

• 互斥体（Mutex）：用于控制对临界区的访问，一次仅允许一个线程进入临界区。
• 条件变量：用于等待或通知其他线程。
• 信号量：用于协调访问资源，防止资源超载。

演示代码

以下示例演示了如何创建、调度和同步线程：

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex;
int shared_resource = 0;

void *thread_function(void *arg) {
  int num = (int) arg;
  while (1) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    shared_resource++;
    printf("Thread %d: %d
", num, shared_resource);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sleep(1);
  }
}

int main() {
  pthread_t thread1, thread2;
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

  // 创建两个线程
  pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, (void *)1);
  pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, (void *)2);

  // 等待线程完成
  pthread_join(thread1, NULL);
  pthread_join(thread2, NULL);

  pthread_mutex_destroy(&mutex);
  return 0;
}

并发编程的优势

并发编程通过同时执行多个任务来充分利用多核 CPU，从而提高程序性能。它还允许应用程序响应外部事件，例如用户输入或网络请求。

结论

掌握操作系统线程管理是并发编程的基础。理解线程的创建、调度和同步机制对于开发高效且可扩展的多线程应用程序至关重要。本文提供了深入的概述，为踏上并发编程之旅奠定了坚实的基础。