Linux 下的多線程程式設計

1. 引言

線程技術最早於 60 年代提出，80 年代中期才真正應用於作業系統，Solaris 是先驅。傳統 Unix 僅允許一個進程擁有一條線程，故多線程意味著多進程。現今 Windows/NT、Linux 等主流作業系統皆支援多線程。

為何有進程還需線程？多線程有何優勢？何時該選用？首先必須釐清這些問題。

優勢一：資源節省

Linux 下啟動新進程需分配獨立位址空間、建立眾多資料表維護代碼段/堆疊段/資料段，屬「昂貴」的多任務方式。同一進程內的多線程共享位址空間與大部分資料，啟動線程的空間遠小於進程，線程切換時間也遠小於進程切換。統計顯示，進程開銷約為線程的 30 倍（具體系統數值可能差異較大）。

優勢二：便捷的通訊機制

進程間擁有獨立資料空間，傳遞資料只能透過進程間通訊（IPC），耗時且不便。線程共享資料空間，一個線程的資料可直接供其他線程使用，快捷方便。但共享也帶來同步問題：變數不可同時被兩線程修改，static 變數更可能導致災難性後果，這正是編寫多線程程式時最需注意之處。

其他優勢

1. 提高應用程式回應性：將耗時操作放入新線程，避免 GUI 凍結。
2. 充分利用多 CPU：作業系統會將不同線程調度到不同 CPU 核心。
3. 改善程式結構：將龐大複雜的進程拆分為多個獨立或半獨立線程，利於理解與維護。

2. 簡單的多線程程式設計

Linux 多線程遵循 POSIX 執行緒介面（pthread）。編寫需包含 pthread.h，連結時需 -lpthread。Linux 的 pthread 透過系統呼叫 clone() 實現（類似 fork，為 Linux 專有）。以下展示最簡單的多線程程式 example1.c：

/* example1.c */
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void thread(void) {
    int i;
    for (i = 0; i < 3; i++)
        printf("This is a pthread.\n");
}
int main(void) {
    pthread_t id;
    int i, ret;
    ret = pthread_create(&id, NULL, (void *)thread, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Create pthread error!\n");
        exit(1);
    }
    for (i = 0; i < 3; i++)
        printf("This is the main process.\n");
    pthread_join(id, NULL);
    return 0;
}

編譯：gcc example1.c -lpthread -o example1

運行結果示例（兩次運行順序不同，體現線程搶佔 CPU）：

This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is the main process.
This is a pthread.
This is a pthread.

This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.
This is a pthread.
This is the main process.

關鍵函數：pthread_create 建立線程，pthread_join 等待線程結束，pthread_t 為線程識別碼型別。

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