一 线程的基本概念
线程是在共享内存空间中并发的多道执行路径，它们共享一个进程的资源，如文件描述符和信号处理。操作系统在两个进程间进行切换时，要对前一个进程进行保护现场操作，对后一个进程进行还原现场操作。反复进行上下文切换会带来极大的开销。线程则无需进行上下文切换，因为多个线程共享同一个进程的上下文。多个线程也共享同一个进程的CPU时钟周期，进程的状态并未因线程切换而改变。
二线程的实现
1.用户态线程
用户态线程由进程负责调度管理、高度抽象化的、与硬件平台无关的线程机制。其最为显著的标志是，进程在创建多个线程时不需要LInux内核支持，也不直接对CPU标志寄存器进行操作。用户态的优势在于下面两方面：
- 减少多线程的系统开销：同一个进程可创建的线程数没有限制
- 用户态实现方式灵活：可根据实际需要设计相应的用户态线程机制，对于实时性要求高的程序格外重要
但是，如果某进程的其中一个线程被阻塞，则进程会进入睡眠态，其他线程同时也被阻塞。造成该现象的原因是Linux内核使用异步输入输出机制。
用户态的缺陷是，无法发挥多路处理器和多核处理器的优势。
2.内核态线程
由Linux操作系统根据CPU硬件的特点，以硬件底层模式实现的线程机制。内核态将所有线程按照同一调度算法调度，更有利于发挥多路处理器和多核处理器所支持的并发处理特性。
内核态线程可自有访问内存空间，并且在某一线程阻塞时，其他线程还能正常运行。
相对于用户态线程，内核态线程的系统开销稍大，并且必须通过系统调用实现，对硬件和Linux内核版本的依赖性较高，不利于程序移植。
三 POSIX线程库
libpthread线程库是目前Linux系统上最常用的线程库。它支持NPTL线程模式，以用户态线程实现。该函数库的接口被定义在pthread.h头文件中。
1.创建线程
int pthread_create(pthread_t* thread,pthread_attr_t* attr,void* (*start_routine)(void*),void* arg);
参数说明：
- *thread：一个pthread_t结构的指针，该结构用于保存线程信息，函数创建成功时，将线程的标识符等信息写入*thread指针指向的内存空间
- *attr：一个pthread_attr_t结构指针，结构中的元素分别对应着新线程的运行属性 ，属性的定义如下表，在没有特殊的属性要求时，可将NULL作为参数传递。
- (*start_routine)(void*)：表示需要传递的是
start_routine()函数的地址，该函数以一个指向void的指针为参数，返回的也是指向void的指针，这种方式使任何类型的数据都能作为参数，也能返回给任何类型的数据结构。start_routine()函数的作用是启动线程 - arg：
start_routine()函数的参数
创建线程成功时返回0，失败时返回一个错误代码。需要注意的是，与Pthread相关的函数在错误时都不会返回-1。
2.结束线程
线程结束时可调用函数pthread_exit()，该函数的原理与结束进程的exit系统调用相似。它的作用是结束调用了这个函数的线程，返回一个指向某个变量的指针。这个指针绝对不能是局部变量的指针，因为局部变量会在线程出现严重问题时消失。函数的一般形式为：
void pthread_exit(void* retval);
如果进程需要在线程结束后与其归并到一起，可使用函数pthread_join()实现，该函数的原理与进程同步的wait系统调用相似。pthread_join()函数的一般形式如下：
int pthread_join(pthread_t th,void** thread_return);
参数说明：
- th：指定要等待的线程，即是
pthread_create()定义的标识符 - thread_return：一个指针，指向另一个指针，后者指向线程的返回值
当等待的线程成功结束时，返回0，否则返回一个错误代码。
下例将演示从创建线程和结束线程的操作方法，新线程与原有线程共享变量：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstdlib>
#include<pthread.h>
#include<string>
using namespace std;
void* thread_function(void* arg);
string message="THREAD_TEST";
string* m=&message;
int main()
{
int res;
pthread_t a_thread;
void* thread_result;
res=pthread_create(&a_thread,NULL,thread_function,(void*)m);
if(res!=0)
{
cerr<<"线程创建失败"<<endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
cout<<"等待线程结束..."<<endl;
res=pthread_join(a_thread,&thread_result);
if(res!=0)
{
cerr<<"等待线程结束失败"<<endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
cout<<"线程已结束，返回值："<<(char*)thread_result<<endl;
cout<<"Message的值为："<<message<<endl;
exit(EXIT_SUCCESS);
return 0;
}
void* thread_function(void* arg)
{
cout<<"线程在运行，参数为："<<*((string*)arg)<<endl;
sleep(3);
*((string*)arg)="线程修改";
char* retval= "线程执行完毕";
pthread_exit(static_cast<void*>(retval));
}
运行结果如下：
说明：如果线程创建成功，那么就会有两个线程在同时执行。原有线程将继续执行pthread_create()后的代码，新线程执行线程函数体内的代码。在验证新线程启动成功后，原有线程调用pthread_join()函数等待新线程结束。
新线程执行完毕后，pthread_join()函数将控制权还给主函数，主函数输出结束信息并退出。
四 同步
1.用信号量进行同步
与信号量相关的函数名字都以sem_作为前缀，线程里使用的基本信号量函数有4个，被包含在头文件semaphore.h中。
（1）初始化信号量：
int sem_init(sem_t* sem,int pshared,unsigned int value);
参数说明：
- sem：sem_t结构指针，该结构用于保存信号量的信息
- phshared：控制信号量的类型。如果参数为0，表明信号量是局部的，否则其他程序就能共享这个信号量
- value：信号量初值
(2) 修改信号量
int sem_wait(sem_t* sem);
int sem_post(sem_t* sem);
这两个函数都是原子操作。sem_wait()函数的作用是使信号量减1，如果信号量的值为0（表明无可用资源，有其他线程正在访问），则sem_wait()函数会保留控制权，等待信号量变为非0后进行操作，再将控制权还给调用者。
sem_post()的作用是使信号量加1。
（3）信号量清理
int sem_destory(sem_t* sem);
以信号量指针作为参数，归还信号量所占用的资源，如果还有其他线程使用已清理的信号量，那么线程会收到一个错误。
下例将演示信号量操作方法：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstdlib>
#include<string>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
using namespace std;
void* thread_function(void* arg);
sem_t bin_sem;
const int WORK_SIZE=1024;
string work_area;
int main()
{
int res;
pthread_t a_thread;
void* thread_result;
res=sem_init(&bin_sem,0,0);
if(res!=0)
{
cerr<<"初始化信号量失败"<<endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
res=pthread_create(&a_thread,NULL,thread_function,NULL);
if(res!=0)
{
cerr<<"线程创建失败"<<endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
while(work_area!="end")
{
cout<<"请输入要传送的信息，输入'end'退出"<<endl;
getline(cin,work_area);
cout<<"输入内容为："<<work_area<<"\n";
sem_post(&bin_sem);
sleep(1);
}
cout<<"\n等待线程结束"<<endl;
res=pthread_join(a_thread,&thread_result); //等待线程结束
if(res!=0)
{
cerr<<"线程结束失败"<<endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
cout<<"线程结束"<<endl;
sem_destroy(&bin_sem);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void* thread_function(void* arg)
{
sem_wait(&bin_sem);
while(work_area!="end")
{
cout<<"收到内容：";
cout<<work_area<<endl;
sem_wait(&bin_sem);
}
pthread_exit(NULL);
}
输出结果如下：
线程被创建，两个线程属于同时运行，如果主线程未休眠，则会照成两个线程共用终端，故将主线程设置休眠。
