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C语言陷阱与技巧第41节， 多次创建线程，内存消耗不断增加是怎么回事？线程退出也不释放内存

		发表于: 2019-06-16 21:56:19 | 已被阅读: 37 | 分类于: 杂谈

C语言程序是顺序执行的，所以一般来说，程序是按照程序员写的代码一行一行往下执行的。不过，C语言初学者可能会不知道这一点，写出输出不符合预期，又自己难以解释的代码。

例如前几天，群里有小伙伴问他的C语言程序为什么输出不符合预期，他的C语言代码是下面这样的：

让我感到意外的是，已经写过一些C语言程序的小伙伴居然也无法解释。其实很简单，小伙伴忽略了C语言程序是顺序执行的这个特性：要计算输入值的乘积，C语言程序肯定要
先
得到输入值，
再
处理乘积运算才对。

再来看小伙伴的C语言代码，显然是先计算了变量的乘积，然后才通过 scanf() 获取用户输入值，这肯定是不对的。

多线程编程

C语言初学者编写的C语言程序通常运行在一个线程里，此时第 n 条语句执行完毕之前，第 n+1 条语句一般不会有机会得到执行。这样的顺序执行程序处理简单任务还行，处理稍微复杂些的任务就有些力不从心了。

例如编写C语言程序处理大量数据，这样的工作一般相当耗时，要是程序仍然是单线程的，与用户交互时就可能出现“假死”（这在windows上表现为“未响应”，相信读者都遇到过），即使“假死”状态只持续几秒，对用户体验和系统流畅性也会造成恶劣的影响。

要避免程序出现交互“假死”，除了提升算法性能和机器运算能力，还可以使用多线程编程的技巧，也即让交互功能单独使用一个线程，其他阻塞时间较长的工作都放在其他线程处理。

在 Linux 系统下的C语言程序开发中，多线程编程是简单的，下面是一个例子，请看相关C语言代码：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *data_process(void *p)
{
    sleep(3);
    printf("data process finished\n");

    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid, NULL, data_process, NULL);

    printf("hello world\n");

    while(1);
    return 0;
}

上述C语言代码没有做错误判断处理，因为这不是讨论主题。

假设 data_process() 是处理数据的函数，为了讨论主题，这里使用 sleep(3) 模拟处理耗时 3 秒。编译上述C语言程序并执行，得到如下输出：

# gcc t.c -lpthread
# ./a.out 
hello world
data process finished

程序首先输出 “hello world”，3秒后输出“data process finished”，可见，耗时较久的 data_process() 并没有阻塞 main() 函数，如果交互程序由 main() 函数处理，显然交互程序不会进入“假死”状态。

多线程编程的“陷阱”

稍稍有些C语言编程经验的读者都不会觉得多线程编程难，但还是有可能跳进 pthread() 库的“陷阱”。现在我们对上述程序稍作修改，修改后的C语言代码如下，请看：

int main()
{
    unsigned char i;
    pthread_t pid;

    for(i=0; i<10; i++)
        pthread_create(&pid, NULL, data_process, NULL);

    printf("hello world\n");

    while(1);
    return 0;
}

其实就是增加了 for() 循环，创建多个 data_process() 线程而已。编译上述C语言代码并执行，我们关注程序消耗的内存：
发现在所有的 data_process() 线程都退出后，程序消耗的内存并没有减少，这很奇怪。现在我们增加 for() 循环的最大循环次数，相关C语言代码如下，请看：

...
for(i=0; i<20; i++)
    pthread_create(&pid, NULL, data_process, NULL);
...

编译修改后的C语言代码并执行，再次查看程序消耗的内存：

显然程序消耗的内存更多了，而且所有线程退出后，内存消耗值并没有减少。按理说，data_process() 函数执行完毕后，它所使用的栈帧会被系统回收，但为何程序消耗的内存总数并未减少呢？

避免多线程编程的“陷阱”

应该明白，pthread_create() 创建的线程默认并不与主线程完全剥离，事实上，主线程会尝试获取子线程函数的返回状态。

在本例中，main() 函数会尝试获取 data_process() 的执行状态，而这里的 main() 函数并没有获取 data_process() 执行状态的C语言代码，系统自然不敢将 data_process() 完全释放，否则万一 main() 函数希望得到 data_process() 的返回状态就麻烦了。

现在，我们可以将C语言中的线程分为两类：一类是主线程关心其返回状态的，一类是不被主线程关心的，如果某线程是后者，那系统就无需再保留其资源，线程执行完毕后，其内存自然会被释放。

void *data_process(void *p)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    sleep(3);
    printf("data process finished\n");

    return NULL;
}

上述为 data_process() 增加了一行 pthread_detach() 代码，其目的就是将其与主线程的关系剥离，系统知道它和主线程无关后，在其执行完毕后，就会将内存收回了。现在编译并执行修改后的C语言代码，再来关注内存消耗情况：
在 data_process() 线程退出之前，程序消耗的内存的确很多，但是 data_process() 线程退出后，相关内存就被系统回收了。从上图可以看出，在 data_process() 线程退出后，程序消耗的内存的确大幅减少了。

小结

本节先讨论了C语言程序的顺序执行特性，在此基础上讨论了阻塞过程可能会导致程序“假死”的情况，并且介绍了多线程编程，以解决该问题。本文重点讨论了Linux下C语言多线程编程时的“陷阱”，并较为详细的分析了原因，给出了解决该“陷阱”的一个方法。事实上，我们还可以在主线程中等待子线程返回，读者可自行尝试，如果觉得困惑，可以关注我，以后有机会会说的。

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