【嵌入式八股5】C++：多线程相关

1. 线程创建与管理

1.1 pthread_create

• 功能: 创建一个新的线程，并指定该线程的执行函数。
• 参数:
  • pthread_t *thread: 指向线程标识符的指针。
  • const pthread_attr_t *attr: 线程属性，通常为 NULL。
  • void *(*start_routine)(void *): 线程执行的函数指针。
  • void *arg: 传递给线程函数的参数。
• 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码。
• 示例:

  #include <pthread.h>
  #include <iostream>
  
  void* threadFunc(void* arg) {
      std::cout << "Thread is running!" << std::endl;
      return NULL;
  }
  
  int main() {
      pthread_t thread;
      if (pthread_create(&thread, NULL, threadFunc, NULL) != 0) {
          std::cerr << "Failed to create thread!" << std::endl;
          return 1;
      }
      pthread_join(thread, NULL);
      return 0;
  }
  

1.2 pthread_join

• 功能: 主线程等待指定线程终止，并回收其资源。
• 参数:
  • pthread_t thread: 要等待的线程标识符。
  • void **retval: 存储线程返回值的指针，可以为 NULL。
• 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码。
• 注意: 如果不调用 pthread_join，线程资源可能无法释放，导致内存泄漏。

1.3 pthread_detach

• 功能: 将线程设置为分离状态，线程终止后自动释放资源。
• 参数:
  • pthread_t thread: 要分离的线程标识符。
• 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码。
• 注意: 分离后的线程无法被 pthread_join 等待。

1.4 pthread_cancel

• 功能: 请求取消指定线程。
• 参数:
  • pthread_t thread: 要取消的线程标识符。
• 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码。
• 注意: 线程取消是异步的，线程可能不会立即终止。

1.5 pthread_equal

• 功能: 比较两个线程标识符是否相等。
• 参数:
  • pthread_t t1: 第一个线程标识符。
  • pthread_t t2: 第二个线程标识符。
• 返回值: 相等返回非零值，否则返回 0。

2. 进程管理

2.1 fork()

• 功能: 创建一个新进程，新进程是调用进程的子进程。
• 返回值:
  • 在父进程中返回子进程的 PID。
  • 在子进程中返回 0。
  • 失败返回 -1。
• 示例:

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  
  int main() {
      int pid = fork();
      if (pid < 0) {
          fprintf(stderr, "Fork Failed!");
          exit(-1);
      } else if (pid == 0) {
          printf("This is Child Process!\n");
      } else {
          printf("This is Parent Process!\n");
          wait(NULL);
          printf("Child Complete!\n");
      }
      return 0;
  }
  

2.2 孤儿进程

• 定义: 父进程先于子进程退出，子进程由 init 进程接管。
• 特点: 无害，内核会自动回收资源。

2.3 僵尸进程

• 定义: 子进程退出后，父进程未调用 wait() 或 waitpid() 回收资源，导致子进程的 PCB 仍存在于内核中。
• 危害: 占用系统资源，可能导致系统资源耗尽。
• 解决方案:
  • 父进程调用 wait() 或 waitpid() 回收子进程资源。
  • 杀死父进程，使僵尸进程被 init 进程接管并回收。

2.4 守护进程

• 定义: 在后台运行的特殊进程，不受终端控制。
• 特点:
  • 通常在系统启动时自动启动。
  • 不与用户交互，执行系统级别任务。
  • 生命周期长，直到系统关闭或被显式停止。

3. 协程

3.1 协程简介

• C++20 新增: 协程是 C++20 引入的一种轻量级并发机制。
• 特点:
  • 不受操作系统调度，切换开销小。
  • 适合处理大量轻型任务。
  • 依赖运行时环境或库实现调度和切换。

3.2 协程与线程的比较

• 依赖关系: 线程由操作系统调度，协程由程序员显式管理。
• 并发性能: 线程可充分利用多核处理器，协程适合单线程内大量任务。
• 切换机制: 线程切换涉及内核态和用户态切换，协程切换在用户态完成。
• 同步方式: 线程通过共享内存或消息传递同步，协程通过显式调度和消息传递同步。

4. 总结

• 线程: 适合需要充分利用多核处理器的场景，但线程数量受限于系统资源。
• 协程: 适合处理大量轻型任务，切换开销小，但无法直接利用多核处理器。