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150行代码，手写线程池，每个人都能学会丨异步处理|任务队列|动态放缩|内存池|API|连接池|应用协议「链接」

C/C++Linux丨90分钟搞定大厂面试多线程问题丨多线程和协程丨线程池如何做到最高效「链接」

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很想写点关于多进程和多线程的东西，我确实很爱他们。但是每每想动手写点关于他们的东西，却总是求全心理作祟，始终动不了手。 今天终于下了决心，写点东西。

一.为何需要多进程（或者多线程），为何需要并发？

这个问题或许本身都不是个问题。但是对于没有接触过多进程编程的朋友来说，他们确实无法感受到并发的魅力以及必要性。 我想，只要你不是整天都写那种int main()到底的代码的人，那么或多或少你会遇到代码响应不够用的情况，也应该有尝过并发编程的甜头。就像一个快餐点的服务员，既要在前台接待客户点 餐，又要接电话送外卖，没有分身术肯定会忙得你焦头烂额的。幸运的是确实有这么一种技术，让你可以像孙悟空一样分身，灵魂出窍，乐哉乐哉地轻松应付一切状 况,这就是多进程/线程技术。 并发技术，就是可以让你在同一时间同时执行多条任务的技术。你的代码将不仅仅是从上到下，从左到右这样规规矩矩的一条线执行。你可以一条线在main函数里跟你的客户交流，另一条线，你早就把你外卖送到了其他客户的手里。 所以，为何需要并发？因为我们需要更强大的功能，提供更多的服务，所以并发，必不可少。

二.多进程

什么是进程。最直观的就是一个个pid,官方的说法就：进程是程序在计算机上的一次执行活动。 说得简单点，下面这段代码执行的时候

int main() 

{  

 printf(”pid is %d/n”,getpid() );  

 return 0;  

}  

进入main函数，这就是一个进程，进程pid会打印出来，然后运行到return，该函数就退出，然后由于该函数是该进程的唯一的一次执行，所以return后，该进程也会退出。 看看多进程。linux下创建子进程的调用是fork();

#include <unistd.h>  

#include <sys/types.h>   

#include <stdio.h>  

 

void print_exit() 

{  

 printf("the exit pid:%d/n",getpid() );  

}  

 

main ()   

{   

 pid_t pid;   

   atexit( print_exit );      //注册该进程退出时的回调函数  

      pid=fork();   

 if (pid < 0)   

 printf("error in fork!");   

 else if (pid == 0)   

 printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());   

 else 

        {  

 printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());   

              sleep(2);  

              wait();  

       }  

}  

i am the child process, my process id is 15806 the exit pid:15806 i am the parent process, my process id is 15805 the exit pid:15805

这是gcc测试下的运行结果。 关于fork函数，功能就是产生子进程，由于前面说过，进程就是执行的流程活动。 那么fork产生子进程的表现就是它会返回2次，一次返回0，顺序执行下面的代码。这是子进程。 一次返回子进程的pid，也顺序执行下面的代码，这是父进程。 （为何父进程需要获取子进程的pid呢？这个有很多原因，其中一个原因：看最后的wait，就知道父进程等待子进程的终结后，处理其task_struct结构，否则会产生僵尸进程,扯远了，有兴趣可以自己google）。 如果fork失败，会返回-1. 额外说下atexit( print_exit ); 需要的参数肯定是函数的调用地址。 这里的print_exit 是函数名还是函数指针呢？答案是函数指针，函数名永远都只是一串无用的字符串。 某本书上的规则：函数名在用于非函数调用的时候，都等效于函数指针。 说到子进程只是一个额外的流程，那他跟父进程的联系和区别是什么呢？ 我很想建议你看看linux内核的注解（有兴趣可以看看，那里才有本质上的了解），总之,fork后，子进程会复制父进程的task_struct结构，并为子进程的堆栈分配物理页。理论上来说，子进程应该完整地复制父进程的堆，栈以及数据空间，但是2者共享正文段。 关于写时复制：由于一般 fork后面都接着exec，所以，现在的 fork都在用写时复制的技术，顾名思意，就是，数据段，堆，栈，一开始并不复制，由父，子进程共享，并将这些内存设置为只读。直到父，子进程一方尝试写 这些区域，则内核才为需要修改的那片内存拷贝副本。这样做可以提高 fork的效率。

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三.多线程

线程是可执行代码的可分派单元。这个名称来源于“执行的线索”的概念。在基于线程的多任务的环境中，所有进程有至少一个线程，但是它们可以具有多个任务。这意味着单个程序可以并发执行两个或者多个任务。 简而言之，线程就是把一个进程分为很多片，每一片都可以是一个独立的流程。这已经明显不同于多进程了，进程是一个拷贝的流程，而线程只是把一条河流截成很 多条小溪。它没有拷贝这些额外的开销，但是仅仅是现存的一条河流，就被多线程技术几乎无开销地转成很多条小流程，它的伟大就在于它少之又少的系统开销。 （当然伟大的后面又引发了重入性等种种问题，这个后面慢慢比较）。 还是先看linux提供的多线程的系统调用： int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_rtn)(void), void *restrict arg); Returns: 0 if OK, error number on failure 第一个参数为指向线程标识符的指针。 第二个参数用来设置线程属性。 第三个参数是线程运行函数的起始地址。 最后一个参数是运行函数的参数。

#include<stdio.h>  

#include<string.h>  

#include<stdlib.h>  

#include<unistd.h>  

#include<pthread.h>  

 

void* task1(void*);  

void* task2(void*);  

 

void usr();  

int p1,p2;  

 

int main() 

{  

    usr();  

    getchar();  

 return 1;  

}  

 

void usr() 

{  

 pthread_t pid1, pid2;  

 pthread_attr_t attr;  

 void *p;  

 int ret=0;  

       pthread_attr_init(&attr);    //初始化线程属性结构  

       pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); //设置attr结构为分离  

 //创建线程，返回线程号给pid1,线程属性设置为attr的属性，线程函数入口为task1，参数为NULL

       pthread_create(&pid1, &attr, task1, NULL);         

 

       pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);  

       pthread_create(&pid2, &attr, task2, NULL);  

 

 //前台工作  

       ret=pthread_join(pid2, &p);         //等待pid2返回，返回值赋给p  

 printf("after pthread2:ret=%d,p=%d/n", ret,(int)p);             

}  

 

void* task1(void *arg1) 

{  

 printf("task1/n");  

 //艰苦而无法预料的工作，设置为分离线程，任其自生自灭  

    pthread_exit( (void *)1);  

}  

 

void* task2(void *arg2) 

{  

 int i=0;  

 printf("thread2 begin./n");  

 //继续送外卖的工作  

    pthread_exit((void *)2);  

}  

这个多线程的例子应该很明了了，主线程做自己的事情，生成2个子线程，task1为分离，任其自生自灭，而task2还是继续送外卖，需要等待返回。（因该还记得前面说过僵尸进程吧，线程也是需要等待的。如果不想等待，就设置线程为分离线程） 额外的说下，linux下要编译使用线程的代码，一定要记得调用pthread库。如下编译： gcc -o pthrea -pthread pthrea.c

四.比较以及注意事项

1.看完前面，应该对多进程和多线程有个直观的认识。如果总结多进程和多线程的区别，你肯定能说，前者开销大，后者开销较小。确实，这就是最基本的区别。 2.线程函数的可重入性： 说到函数的可重入，和线程安全，我偷懒了，引用网上的一些总结。 线程安全：概念比较直观。一般说来，一个函数被称为线程安全的，当且仅当被多个并发线程反复调用时，它会一直产生正确的结果。 可重入：概念基本没有比较正式的完整解释，但是它比线程安全要求更严格。根据经验，所谓“重入”，常见的情况是，程序执行到某个函数foo()时，收到信 号，于是暂停目前正在执行的函数，转到信号处理函数，而这个信号处理函数的执行过程中，又恰恰也会进入到刚刚执行的函数foo()，这样便发生了所谓的重 入。此时如果foo()能够正确的运行，而且处理完成后，之前暂停的foo()也能够正确运行，则说明它是可重入的。 线程安全的条件：

要确保函数线程安全，主要需要考虑的是线程之间的共享变量。属于同一进程的不同线程会共享进程内存空间中的全局区和堆，而私有的线程空间则主要包括栈和寄 存器。因此，对于同一进程的不同线程来说，每个线程的局部变量都是私有的，而全局变量、局部静态变量、分配于堆的变量都是共享的。在对这些共享变量进行访 问时，如果要保证线程安全，则必须通过加锁的方式。

可重入的判断条件： 要确保函数可重入，需满足一下几个条件： 1、不在函数内部使用静态或全局数据 2、不返回静态或全局数据，所有数据都由函数的调用者提供。 3、使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据。 4、不调用不可重入函数。 可重入与线程安全并不等同，一般说来，可重入的函数一定是线程安全的，但反过来不一定成立。它们的关系可用下图来表示： 比如：strtok函数是既不可重入的，也不是线程安全的；加锁的strtok不是可重入的，但线程安全；而strtok_r既是可重入的，也是线程安全的。 如果我们的线程函数不是线程安全的，那在多线程调用的情况下，可能导致的后果是显而易见的——共享变量的值由于不同线程的访问，可能发生不可预料的变化，进而导致程序的错误，甚至崩溃。

3.关于IPC(进程间通信)

由于多进程要并发协调工作，进程间的同步，通信是在所难免的。 稍微列举一下linux常见的IPC. linux下进程间通信的几种主要手段简介： 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除 了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为 了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）； 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺点。

共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

或许你会有疑问，那多线程间要通信，应该怎么做？前面已经说了，多数的多线程都是在同一个进程下的，它们共享该进程的全局变量，我们可以通过全局变量来实现线程间通信。如果是不同的进程下的2个线程间通信，直接参考进程间通信。

4.关于线程的堆栈

说一下线程自己的堆栈问题。 是的，生成子线程后，它会获取一部分该进程的堆栈空间，作为其名义上的独立的私有空间。（为何是名义上的呢？)由于，这些线程属于同一个进程，其他线程只 要获取了你私有堆栈上某些数据的指针，其他线程便可以自由访问你的名义上的私有空间上的数据变量。（注：而多进程是不可以的，因为不同的进程，相同的虚拟 地址，基本不可能映射到相同的物理地址）

5.在子线程里fork

看过好几次有人问，在子线程函数里调用system或者 fork为何出错，或者fork产生的子进程是完全复制父进程的吗？ 我测试过，只要你的线程函数满足前面的要求，都是正常的。

[cpp] view plaincopy



#include<stdio.h>  

#include<string.h>  

#include<stdlib.h>  

#include<unistd.h>  

#include<pthread.h>  

 

void* task1(void *arg1) 

{  

 printf("task1/n");  

    system("ls");  

    pthread_exit( (void *)1);  

}  

 

int main() 

{  

 int ret=0;  

 void *p;  

 int p1=0;  

 pthread_t pid1;  

    pthread_create(&pid1, NULL, task1, NULL);  

    ret=pthread_join(pid1, &p);  

 printf("end main/n");  

 return 1;  

}  

上面这段代码就可以正常得调用ls指令。 不过，在同时调用多进程（子进程里也调用线程函数）和多线程的情况下，函数体内很有可能死锁。