【Linux学习】多线程——线程控制 | 线程TCB

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《Linux学习》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🧰线程控制

Linux内核中并不存在线程的概念，我们程序员是通过库来使用线程的，这个库是POSIX线程库，是由原生线程库提供的，它遵守POSIX标准，就像之前学过的System V标准一样。POSIX线程库有以下几个特点：

1. 与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以“pthread_”打头的。
2. 要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h>。
3. 链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项。

🎴线程创建

系统调用接口：

• pthread_t* thread：输出型参数，将线程的tid值放入到我们外部创建好的pthread_t 类型的变量中。
• 第二个参数：用来设置线程属性，一般情况下设置成nullptr，等用到的时候再详细讲解。
• void* (*start_routine)(void *)：函数指针，这是一个回调函数，该函数的内容就是新线程要执行的。
• void* arg：回到函数的参数。
• 返回值： 线程创建成功返回0，不成功返回错误码。

一般情况下，新线程的创建是不会失败的，万一失败了，也不会设置errno，因为errno是一个全局变量，某个线程改变了这个变量会对其他线程造成影响，所以直接将错误码返回即可。

• 在编译的时候，必须指定线程库，使用-l pthread选项。

接下来用这个接口创建一批线程：

#define NUM 10void* start_routine(void* args)
{sleep(1);string name = (char*)(args);while(1){cout<<"new thread name: "<<name<<endl;sleep(1);}
}int main()
{//创建一批线程for(size_t i = 0; i < NUM; ++i){pthread_t tid;char buffer[64];snprintf(buffer,sizeof buffer,"thread %d",i+1);pthread_create(&tid,nullptr,start_routine,(void*)buffer);}while(1){cout<<"----create success----"<<endl;sleep(1);}return 0;
}

创建10个线程，让它们同时运行，并且给每个线程编号，新线程死循环打印各自的线程名字，新线程在延时1秒后开始执行。

将上诉代码运行起来后，查看线程，可以看到一共有11个线程，其中1个主线程，10个新线程。

但是运行结果中，10个线程都是线程10，其他9个线程并没有出现，这是什么原因呢？

• 新线程中首先要延时1秒钟，然后才开始执行代码，在它延时的过程中，主线程一直在跑。
• 主线程中的名字缓冲区会被覆盖，最终只有"thread 10"。
• 当10个新线程开始执行时，需要去缓冲区中拿数据(缓冲区所有线程共享)，所以拿到的都是"thread 10"。

上面代码中，本喵故意给新线程先延时了一秒钟，让主线程先跑，去覆盖缓冲区，如果不延时也有可能会出现上诉情况。

• 主线程和新线程到底谁先执行是不确定的，是由操作系统的调度器决定的。

即使不给新线程延时，也有可能是主线程先运行，在时间片结束之前，同样会完成数据覆盖，导致新线程从缓冲区中只能读到最终的数据。

所以说，上面的代码是有问题的，我们需要保证每个线程都有自己独一无二的缓冲区。

class ThreadData
{
public:pthread_t _tid;char _name[64];
};

创建一个类，这个类中包括线程的tid以及名字的缓冲区。

• 每个线程都在堆区new一个对象，来存放该线程的tid以及名字，然后将这个对象的地址传给新线程。
• 新线程通过主线程传过来的指针找到属于它的结构体对象，然后使用里面的数据。

此时10个线程就都能正常运行了，不存在缓冲区的覆盖问题了，因为一个线程有一个缓冲区。

🎴线程结束

1. return nullptr结束线程

当新线程执行到return的时候，就会结束。

• 在线程中加了计数值，5秒后跳出循环，执行return，结束线程。

当计数值到了以后，新线程全部结束，只剩下主线程在执行。

2. pthread_exit()结束线程

POSIX线程库专门提供了一个接口来结束线程：

• 参数：返回线程结束信息，当前阶段设置成nullptr即可。

调用该接口的线程会结束。

同样，当计数值到了以后，新线程会调用该接口，然后就只剩下主线程了，新线程全部结束了。

注意：

不能使用exit()来结束线程，因为exit系统调用是争对进程的，调用该接口会让整个进程都结束掉。

🎴线程等待

和进程一样，线程也是需要等待的，如果不等待会造成内存泄漏，也就是结束掉的线程PCB不会被回收(类似僵尸进程)，但是我们看不到没有回收的现象。

系统调用：

• pthread_t thread：要等待的线程tid。
• void** retval：线程结束信息返回，这是一个输出型参数。
• 返回值：等待成功返回0，等待失败返回错误码。

主线程中并没有延时，它执行的速度是很快的。在新线程中需要进行计数，所以执行速度会慢很多。

可以看到，主线程在执行到线程等待的时候，会阻塞等待，不再往下执行，直到所有线程都等待成功才会继续向下执行。

所以说，线程等待是阻塞式等待。

线程返回值

线程等待和进程等待一样，主要有两个作用：

• 获取线程退出信息。
• 回收线程PCB资源，防止内存泄漏。

上面线程等待的代码中并没有获取线程退出的相关信息，那么该如何获取线程退出的相关信息呢？

• 新线程在结束的时候会返回一个void*类型的指针。
• 在pthread线程库中，有一个void类型的指针变量来接收从线程中返回的void指针。

• 指针变量和指针是有区别的，指针变量会开辟空间，里面存放的是指针。
• 指针就是地址，是数字，不会开辟空间。

如上图中代码所示，将整形数字10强转成void*类型，然后返回。

• 现在面临的问题就是怎么从pthread线程库中拿到从线程中返回的void*指针。

在主线程的栈区中有一个void类型的指针变量，新线程中返回的void类型指针最终会放到这个ret中。

• pthread线程库中有一个void** 类型的二级指针变量retval。
• pthread_join()系统调用将主线程中void*类型的指针变量的地址传给了pthread线程库中的二级指针变量，此时主线程就和线程库建立了联系。
• 将新线程中返回到线程库中的void*指针变量中的返回值，通过这种联系放到主线程中指针变量中----也就是 *retval = ret。

这样，我们就可以成功的获取到新线程退出时的返回信息了，桥梁就是pthread_join()系统调用。

pthread_join()系统调用中，之所以传的是二级指针，是为了在pthread库中能够找到主线程中一级指针变量 void * ret。

在线程等待时，传入ret的二级指针获取线程退出信息。

• 由于Linux中void* ret是8个字节，接收到的线程退出信息10也是一个void*类型的。
• 我们要想看到这个值，需要将它转换成整数，所以必须转成longlong类型，也是8个字节，如果转成int的话会有精度损失从而会报错。

可以看到，每个线程在退出时的退出信息都被主线程接收到了，由于所有线程的退出信息都是10，所以接收到的也都是10。

通过pthread_exit()同样可以将线程的退出信息返回到pthread的线程库中，然后再通过线程等待接口拿走这个退出信息。

• 在结构体中增加一个线程编号信息，每创建成功一个线程都给它一个编号。
• 新线程在退出的时候返回各自的编号。
• 线程等待代码不变，和上面一样。

此时我们就成功获得了各个线程在退出时候返回的编号，也就是获得了线程的退出信息。

整数都可以返回，更别说一个真正的地址了，可以将要返回的信息放在数组中，然后返回数组地址。

• 在学习进程等待的时候，我们不仅可以获得进程的退出信息，还能获得进程的退出信号，但是在线程退出时就没有获得线程退出信号，这是为什么呢？

• 因为信号是发给进程的，整个进程都会被退出，线程要退出信号也没有意义了。
• 而且pthread_join默认是能够等待成功的，并不考虑异常的问题，异常是进程要考虑的事，线程不用考虑。

线程取消(线程结束的一种方式)

线程取消的接口：

• 参数：要取消的线程tid。
• 返回值：取消成功返回0，失败返回错误码。

• 只有运行起来的线程才能被取消。

在主线程中，新线程被创建后，取消一半的线程，然后继续进行线程等待。

10个线程被创建后就会跑起来。

• 前五个线程被取消了，线程等待直接成功，不用再阻塞，被取消的线程等待成功后的返回值是-1，并不是我们设定的线程编号。
• 未被取消的后五个线程，仍然阻塞等待，等待成功后返回的是我们设定的线程编号。

所以说，如果一个线程是被取消结束的，它的退出码就是-1。它其实是一个宏定义：PTHREAD_CANCELED。

线程取消也是一种线程结束的方式，放在这里是为了能够通过线程等待看线程退出的退出码。

🎴线程分离

线程的tid也可以通过接口获得，就像获得pid一样，获取tid的接口：

这个接口也是POSIX线程库提供的，哪个线程调用该接口就会返回哪个线程的tid。

• 默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。

但是这样主线程就需要阻塞式等待线程的释放，主线程什么都干不了。能不能像进程那样不需要阻塞式等待(将SIGCHID信号设置为忽略)，等新线程结束以后自动释放呢?

• 尤其是不需要关心线程返回值的时候，join是一种负担。

当然可以，将需要自动释放的线程设置成分离状态，将线程设置成分离状态意味着不需要主线程再关心该线程的状态，它会自动释放。

• joinable和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的。

线程分离的接口：

• 参数：要分离的线程tid。
• 返回值：成功返回0，不成功返回错误码。

• 可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离。自己分离自己就需要使用接口获取到自己的tid。

线程分离后，如果主线程仍然等待该线程，就会等待失败，返回错误码。

新线程中分离自己：

void* start_routine(void* args)
{string name = static_cast<const char*>(args);size_t cnt = 5;pthread_detach(pthread_self());//线程分离while(cnt--){cout<<"new thread name: "<<name<<", cnt: "<<cnt<<endl;sleep(1);}pthread_exit(nullptr);
}int main()
{//创建新线程pthread_t tid;pthread_create(&tid,nullptr,start_routine,(void*)"thread one");cout<<"main thread tid: 0x"<<(void*)pthread_self()<<endl;//线程等待int n = pthread_join(tid,nullptr);cout<<"error: "<<n<<"->"<<strerror(n)<<endl;return 0;
}

在新线程中分离线程。

不是说线程分离了再进行线程等待就会失败吗？怎么上面的运行结果仍然是等待成功呢？

• 因为主线程先被调度，在新线程被创建但是没有执行的时候主线程就开始等待新线程了。

所以当新线程将自己分离以后，主线程已经处于等待状态了，它不认为新线程被分离，还会继续等待，而且可以等待成功。

可以让主线程延时一段时间，保证新线程先执行，也就是保证线程分离发生在线程等待之前。

可以看到，此时主线程在进行线程等待的时候就会失败，而且返回错误码。

在主线程中分离新线程：

最为稳妥的办法就是在主线程中分离新线程：

在主线程中分离新线程，任何进行线程等待，并且主线程在一直运行。

• 主线程等待新线程失败后直接返回错误码，然后接着向下运行，并不会阻塞。

在新线程运行结束以后，自动回收其PCB资源，只剩下主线程在运行。

• 一个线程一旦被分离就不用再管这个线程了，在它运行结束的时候系统会自动回收，不会造成内存泄漏。

🧰C++多线程

我们知道，C++也是可以多线程编程的，而且提供了多线程的库，而无论什么编程语言，什么库，在Linux系统上的多线程本质上都是对pthread原生线程库的封装。

接下面本喵就模拟一下C++对线程库的封装，写一个小组件，同时也方便我们后面直接使用：

#define NUM 1024class Thread;//前置声明class Context//线程上下文
{
public:Context():_this(nullptr),_args(nullptr){}//成员变量Thread* _this;void* _args;
};class Thread
{
public://重命名函数对象typedef std::function<void*(void*)> func_t;//构造函数//传入新线程执行的函数，参数，以及新线程编号Thread(func_t func, void* args = nullptr, int number = 0):_func(func),_args(args){//格式化线程名char buffer[NUM];snprintf(buffer,sizeof (buffer),"thread-%d",number);_name = buffer;//创建线程Context* ctx = new Context();ctx->_this = this;ctx->_args = _args;int n = pthread_create(&_tid,nullptr,start_routine,ctx);}void* run(void* args){return _func(args);}//由于调用成员函数有隐藏的this指针，所以使用static修饰//void* start_routine(this, void* args)static void* start_routine(void* args){Context* ctx = static_cast<Context*>(args);//安全的类型转换void* ret = ctx->_this->run(ctx->_args);delete ctx;return ret;}//线程等待void join(){int n = pthread_join(_tid,nullptr);assert(n==0);(void)n;}
private:std::string _name;func_t _func;void* _args;pthread_t _tid;
};

• 在调用start_routine成员函数的时候，会隐藏一个this指针。
• 而pthread_create中的函数指针只有一个形参，为了消除这个指针，用static修饰新线程调用的函数。

此时就面临一个新的问题，在static函数内，需要调用类内的成员函数run()，但是没有this指针无法调用。

• 创建一个上下文类，里面放线程类的this指针，在static函数内通过这个指针来调用类内的成员函数run()。

测试代码：

void* thread_run(void* args)
{string work_type=static_cast<const char*>(args);while(1){cout<<"新线程:"<<work_type<<endl;sleep(1);}
}int main()
{unique_ptr<Thread> thread1(new Thread(thread_run,(void*)"thread1",1));unique_ptr<Thread> thread2(new Thread(thread_run,(void*)"thread2",2));unique_ptr<Thread> thread3(new Thread(thread_run,(void*)"thread3",3));thread1->join();thread2->join();thread3->join();return 0;
}

可以看到，成功创建3个新线程，并且在不停运行。

这里仅是语言层面对线程库的封装。

🧰线程库中的TCB

🎴线程tid

前面多次见过线程的tid值，但是一直不知道它是什么，现在来揭开它的神秘面纱。

新线程和主线成都打印新线程的tid，并且主线程也打印自己的tid。

• 主线程和新线程打印的新线程tid的值都是一样的。
• 而且tid的值是一个地址。

我们知道，Linux内核中是没有线程概念的，也没有对应的TCB结构。

• 用户创建线程时使用的是POSIX线程库提供的接口。
• 线程库中会调用clone()系统调用接口，在内核中创建线程复用的PCB结构。
• 这些轻量级进程共用一个进程地址空间。

系统中肯定不只一个线程存在，大量的线程势必要管理起来，管理的方式同样是先描述再组织。既然Linux内核中只有轻量级进程的PCB，那么描述线程的TCB结构就只能存在于线程库中。

所以pthread线程库中就会维护很多TCB结构：

//伪代码
struct pthread
{//线程局部存储//线程栈//....
}

线程库中的TCB里，存放着线程的属性，这里的TCB被叫做用户级线程。

• Linux线程方案：用户级线程以及用户关心的线程属性在线程库中，内核提供线程执行流的调度。
• Linux 用户级线程 ： 内核轻量级进程= 1 ：1

一个线程的所有属性描述是由两部组成的，一部分就是在pthread线程库中的用户级线程，另一部分就是Linux中的轻量级进程，它们俩的比例大约是1比1。

• pthread线程库从磁盘上加载到内存中后，通过页表再将虚拟地址空间和物理地址映射起来。
• 线程库最终是映射在虚拟地址空间中的共享区中的mmap区域。

既然线程库是映射在共享区的，那么线程库所维护的TCB结构也就一定在共享区。

如上图所示，将映射到共享区的动态线程库放大。

• 线程库中存在多个TCB结构来描述线程。
• 每个TCB的地址就是线程id。

线程tid的本质就是虚拟地址共享区中TCB结构体的地址。

• 线程的栈也在共享区中，而不在栈中。
• 虚拟地址空间中的栈是主线程的栈，共享区中动态库中的栈是新线程的栈。

所以说，线程的栈结构是相互独立的，因为存在于不同的TCB中(主线程除外)。

🎴线程局部存储(__thread)

在共享区线程库中的TCB里，有一个线程的局部存储属性，它是一个介于全局变量和局部变量之间线程特有的属性。

在主线程和新现在中同时打印全局变量g_val以及它的地址。

主线程和新线程打印的值都是一样的。

• 说明主线程和新线程共用一个全局变量。

那如果此时新线程仍然想用这个变量名，但是又不想影响其他线程，也就是让这个全局变量独立出来，该怎么办呢？此时就可以使用线程的局部存储属性了。

• 在全局变量g_val前面加__thread(两个下划线)，此时这个全局变量就具有了局部存储的属性。

主线程和新线程同样打印这个全局变量，并且新线程将这个具有局部存储属性的全局变量不断加一。

• 主线程和新线程打印出来的全局变量的地址不相同了，说明此时用的并不是同一个全局变量。
• 新线程修改这个值，主线程不受影响。

• 可以将全局变量或者static变量添加 __thread，设置位线程局部存储。
• 此时每个线程的TCB中都会有一份该变量，相互独立，并不会互相影响。

🧰总结

有了进程的基础，线程有些地方可以进行类比，还是比较容易理解的。线程控制非常重要，而且在编程中经常使用到。