Linux操作系统学习（线程基础）

线程的基础概念

​ 一般教材对线程描述是：是在进程内部运行的一个分支（执行流），属于进程的一部分，粒度要比进程更加细和轻量化

​ 一个进程中是可能存在多个线程的，可能是1：1也可能是1：n，所以线程也应由OS管理，管理就离不开“先描述，再组织”，所以线程也应该类似PCB一样有线程控制块TCB，但Linux中没有专门为线程设计的TCB，而是用进程PCB来模拟线程

​ 通过某些函数方法，可以在同一个进程中只创建task_struct，让这些PCB共享同一个地址空间，把当前进程的资源（代码+数据）划分成若干份，让每个PCB使用执行一部分。

​ 站在CPU的角度，CPU只看PCB，不关心是否共享一份地址空间，此时CPU看到的PCB就是一个需要被调度的执行流

​ Linux中是用进程来模拟线程的，所以也叫轻量级进程（站在用户角度是线程），不用单独为线程设计算法，可直接用进程的一套相关方法，所以不用维护复杂的进程和线程的关系。OS只需要聚焦在线程间的资源分配上就可以了，所以CPU是只看PCB，不区分线程和进程。

​

进程与线程的区别：

• 进程具有独立性，可以有部分资源共享（基于管道、ipc资源下）

• 线程共享进程的数据，但是也有属于自己的数据

• 进程是资源分配的基本单位，承担系统资源分配的基本实体

• 线程是CPU调度的基本单位，承担进程资源一部分的基本实体

线程的优点：

• 创建一个新的线程的代价比创建一个进程小得多。创建一个线程虽然也需要创建数据结构，但是并不需要重新开辟资源，只需要将进程的部分资源分配给线程。创建一个进程不仅需要创建大量数据结构，还需要重新创建资源。

• 与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作少。线程只是进程的部分资源，切换的资源少。

• 线程占用的资源比进程少

• 能充分利用多处理器的可并行数量

• 在等待慢速的I/O任务结束的同时，程序可以执行其它的计算任务

• 计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现。

• I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠，线程可以同时等待不同的I/O操作。I/O操作是与外设交互数据，会很慢。

线程的缺点：

• 性能缺失
  一个处理器只能处理一个线程，如果线程数比可用处理器数多，会有较大的性能损失，会增加额外的同步和CPU调度的开销，而资源却是不变的

• 健壮性降低
  编写多线程时, 可能因为共享的变量, 导致一个线程修改此变量, 影响另外一个线程。(线程不是对立的，所以线程之间缺乏保护)

  ​ （多线程之间的变量是同一个变量；多进程之间变量不是同一个变量，一开始是共享父进程的，但在改变时发生写时拷贝）

• 缺乏访问的控制
  进程时访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响

• 编程难度相对高

线程异常：

• 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃 ；线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，该进程内的所有线程也就随即退出

线程用途：

• 合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率
• 合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是 多线程运行的一种表现）

线程与进程的关系

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线程控制

​ 因为是用进程模拟的线程，所以Linux下不会给我们提供直接操作线程的接口，而给线程提供的是在同一个地址空间创建PCB的方法、分配资源给指定的PCB的接口等等，需要用户自己创建一些函数方法如创建线程、释放线程、等待线程等，对用户不太友好。

​ 所以一般我们在使用的线程相关函数方法，都是由系统级别的工程师在用户层对Linux轻量级进程提供的方法进行封装打包成的库。

下面主要介绍pthread库

1. 创建线程函数

• threaad：输出型参数，会获取刚创建的线程ID
• attr：传入的是线程的属性（优先级、运行栈等等）一般传入NULL，交给OS默认处理。
• start_routine：创建线程后所执行的方法
• arg：一般会传给第三个参数的函数方法

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void* ThreadRun(void* args)
{std::string name = (char*)args;while(true){std::cout << "当前处于新线程，新线程ID是：" << pthread_self() << ", args: " << name << std::endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid[5];for(int i = 0;i < 5;i++)pthread_create(&tid[i],nullptr,ThreadRun,(void*)"new thread");while(true){std::cout << "当前处于主线程,主线程ID是：" << pthread_self() << std::endl;std::cout << "###################################################################" << std::endl;for(size_t i = 0;i < 5;i++)std::cout << "创建的新线程[" << i << "]ID是：" << tid << std::endl;std::cout << "###################################################################" << std::endl;sleep(3);}return  0;
}

犹豫是多线程打印，会有乱码现象。

代码中用到的pthread_self()，作用是在谁的线程下用，就获取谁的线程 ID

​ 可以看到的是，他们的PID都是一样的，所以线程是对进程的资源分配 ，LWP是内核提供的，和打印出来的id是不一样的，这里用的是原生线程库，打出来的id是其实是进程地址号

2. 线程等待

进程退出有三种方式

• 代码正常运行，结果正确
• 代码正常运行，结果不对
• 程序异常，直接退出

​ 前两点退出时不会产生信号，但会产生退出码，而程序异常会产生终止信号；线程分配的资源是进程的一部分，所以只要有一个线程执行的代码部分导致程序崩溃，整个进程会直接退出并产生终止信号，整个进程崩溃，所有线程也就崩溃了。

​ 一般而言，线程也是需要等待的，否则也会出现类似僵尸进程那样的问题，已经退出的线程，其空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内，占用资源还得维护数据

​ 线程等待只能是在代码正常运行的前提下等待，而程序异常，进程就会直接退出了，OS会向进程发送退出信号，此时与线程无关，下图所示线程等待函数：

• thread：需要等待的线程的ID

• retval：输出型参数，获取创建线程时指定的函数方法的返回值，（因为指定的函数方法返回值是指针返回，所以这里是二级指针）

  pthread_join函数在等待时是阻塞式等待

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void* ThreadRun(void* args)
{sleep(3);return (void*)"finish";
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid,nullptr,ThreadRun,(void*)"new thread");void* status = NULL;pthread_join(tid,&status);std::cout << (char*)status << std::endl;return  0;
}

3. 线程退出

   线程退出的方法有三种

• 函数中return

  • main函数return代表主线程和进程退出

  • 其他线程函数中return，代表当前线程退出

• 通过pthread_exit函数终止线程

参数是要传入的退出状态

void* ThreadRun(void* args)
{std::string name = (char*)args;std::cout << name << " running. . ." << std::endl;sleep(3);pthread_exit((void*)123);std::cout << "exit fail" << std::endl;return (void*)"finish";
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid,nullptr,ThreadRun,(void*)"new thread");void* status = NULL;pthread_join(tid,&status);printf("%d\n",(int*)status);return  0;
}

• 通过pthread_cancel函数取消线程

  

  只需要传入要取消的线程的id即可

  成功返回0，失败返回-1

  void* ThreadRun(void* args)
  {std::string name = (char*)args;std::cout << name << " running. . ." << std::endl;sleep(10);return (void*)"finish";
  }int main()
  {pthread_t tid;pthread_create(&tid,nullptr,ThreadRun,(void*)"new thread");sleep(1);std::cout << "cancel sub thread. . ." << std::endl;sleep(5);pthread_cancel(tid);void* status = NULL;pthread_join(tid,&status);printf("%d\n",(int*)status);return  0;
  }
  

  

  取消后的线程退出码是 -1 代表是PTHREAD_ CANCELED的意思

注意：不建议在子线程中取消主线程的做法，这样会导致进入僵尸进程的状态。因为主线程会退出而没有资源可以等待子线程退出，子线程就造成资源浪费了

void* ThreadRun(void* args)
{sleep(5);pthread_cancel((pthread_t)args);while(1){std::cout << " running. . ." << std::endl;sleep(1);}return (void*)"finish";
}int main()
{pthread_t tid;pthread_t g_tid = pthread_self();pthread_create(&tid,nullptr,ThreadRun,(void*)g_tid);void* status = NULL;pthread_join(tid,&status);printf("%d\n",(int*)status);return  0;
}

如图所示：进入了僵尸进程，以及类似僵尸进程的线程状态（主线程 defunct）

3. 线程分离

若不想阻塞式的等待线程退出，可以使用线程分离函数；分离之后的线程不需要被join，运行完毕后会自动释放资源

传入要分离的线程id即可

void* ThreadRun(void* args)
{pthread_detach(pthread_self());std::cout << " running. . ." << std::endl;sleep(1);return (void*)"finish";
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid,nullptr,ThreadRun,(void*)"hello");sleep(3);void* status = NULL;int ret = pthread_join(tid,&status);printf("ret:%d,status:%s\n",ret,(char*)status);return  0;
}

只要线程分离了，就不可在使用join去等待了，会等待失败

内核LWP和线程ID的关系

​ 我们使用的pthread原生线程库是存在磁盘当中的，在使用时会被加载到内存当中，通过页表映射到进程地址空间的共享区（堆区和栈区之间的区域）所有的进程都共用同一份库（只是进程空间中进程自己认为独占这个库）

​ 而每个线程共享的是同一份进程地址空间，但是每个线程也会有自己的私有数据部分如线程栈（主线程栈是在栈区的）、上下文数据、属性等等。这些线程私有的部分组成线程的数据块（可以想象成类似于task_struct的线程struct），数据块其实是存储在线程库中的，通过页表映射到进程地址的共享区。

（创建线程的时候，用mmap系统调用从heap分配出来的）

​ 在使用pthread_create创建线程时，线程库会生成一个ID号来表示新创建的线程，这个ID由函数的第一个参数可以获取到；而线程ID就是这些数据块在共享区映射的地址，每个线程id就是每个线程的数据块在共享区的地址，通过id号便能找到线程的所有数据

线程id就是：线程存储在线程库中的数据，通过内存映射到进程地址空的共享区的地址标号，有了这个标号就能找到线程的所有的私有数据

LWP和线程id的关系是什么？

LWP是在内核层面的，线程id是在用户层面的。

​ 前面说过在Linux中没有提供专门的线程方法，使用进程模拟的线程，所以Liunx中的线程其实是轻量级进程，依旧用的task_struct，所以CPU调度知认PCB；那进程由PID，线程也该有个数字来标识这些task_struct，那这个标识就是LWP，所以LWP实际上是供CPU调度使用的（类似文件描述符一样）

​ 线程id是用户层的，LWP是内核层的，那id怎么知道他是对应哪个task_struct的呢？所以线程的数据块一定也包含一个LWP，形成1:1的关系（也有1：n，即一个线程id包含多个LWP，在用户层面看来是一个线程）