linux——线程（1）
2024-05-03 01:37:24
文章目录
- 1.线程概念
- 1.1 什么是线程
- 1.2 线程和进程区别
- 1.3 线程实现原理
- 1.4 三级映射
- 1.5 线程共享资源
- 1.6 线程非共享资源
- 1.7 线程优、缺点
- 2.线程控制原语
- 2.1 pthread_self 函数
- 2.2 pthread_create 函数
- 3.线程与共享
- 3.1 线程共享全局变量
- 4.线程退出
- 4.1 pthread_exit 函数
1.线程概念
1.1 什么是线程
线程：LWP(light weight process), 轻量级的进程，本质仍是进程(在 Linux 环境下)。
线程是进程的子任务，实现进程内部的并发，线程也是CPU调度和执行的最小单位。
1.2 线程和进程区别
进程拥有独立的4G内存地址空间，拥有PCB；线程有独立的 PCB，但没有独立的地址空间(共享)。
进程是最小分配资源单位；线程是最小的执行单位。
进程通信方式：管道、系统IPC(消息队列、信号量、信号、共享内存)、套接字；线程通信方式：临界区、互斥量、信号量、事件（信号）。
1.3 线程实现原理
- 轻量级进程(light-weight process)，也有 PCB，创建线程函数(pthead_create)和创建进程(fork)的底层函数一样，都是 clone函数
- 从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的 PCB，但是 PCB 中指向内存资源的三级页表是相同的
- 线程可看做寄存器和栈的集合
- 对于进程来说，相同的地址(同一个虚拟地址)在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。
但线程不同，两个线程具有各自独立的 PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个 PCB 共享一个地址空间。实际上，无论是创建进程的 fork，还是创建线程的 pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数 clone。
如果复制对方的地址空间，那么就产出一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。
察看 LWP /线程号：ps –Lf pid 查看指定进程的 lwp 号（线程号，而非线程ID）
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~$ ps -Lf 32639
UID PID PPID LWP C NLWP STIME TTY STAT TIME CMD
zhaoxr 32639 1815 32639 0 23 20:17 ? SLl 0:01 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32648 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32656 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32657 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32661 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32662 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32663 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32664 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32665 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32666 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32667 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32668 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32671 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32672 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32673 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32674 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32675 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32676 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32678 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32680 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32695 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32716 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
zhaoxr 32639 1815 32774 0 23 20:17 ? SLl 0:00 /opt/google/chrome/chrome
1.4 三级映射
1.5 线程共享资源
1.文件描述符表，在同一个进程内，a线程和b线程共享文件描述符
2.每种信号的处理方式，线程和信号组合复杂，最好不要把它们搅合在一起
3.当前工作目录
4.用户 ID 和组 ID
5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)，除了栈空间
1.6 线程非共享资源
1.线程 id
2.处理器现场和栈指针(内核栈)
3.独立的栈空间(用户空间栈)
4.errno 变量，很特殊的变量，是全局变量，在数据.data段，但是共享
5.信号屏蔽字
6.调度优先级
1.7 线程优、缺点
优点： 1. 提高程序并发性 2. 开销小 3. 数据通信、共享数据方便
缺点： 1. 库函数，不稳定 2. 调试、编写困难、gdb 不支持 3. 对信号支持不好
优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux 下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。
2.线程控制原语
线程所有操作函数 pthread_* 是库函数，而非系统调用，
对线程相关函数gcc编译时，需要链接第三方库-pthread
2.1 pthread_self 函数
获取线程 ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。
pthread_t pthread_self(void);返回值：成功：0； 失败：无！线程 ID：pthread_t 类型，本质：在 Linux 下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现
线程 ID 是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程 ID 允许相同)注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过 pthread_create 传出参数来获取线程 ID，
而应使用pthread_self。
2.2 pthread_create 函数
创建一个新线程。 其作用，对应进程中 fork() 函数。
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
返回值：成功：0； 失败：错误号 -----Linux 环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。
参数：
pthread_t：当前 Linux 中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;
参数 1：传出参数，保存系统为我们分配好的线程 ID
参数 2：通常传 NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。
参数 3：函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。
参数 4：线程主函数执行期间所使用的参数。
在一个线程中调用 pthread_create()创建新的线程后，当前线程从 pthread_create()返回继续往下执行，
而新的线程所执行的代码由我们传给 pthread_create 的函数指针 start_routine 决定。
start_routine 函数接收一个参数，是通过pthread_create 的 arg 参数传递给它的，
该参数的类型为 void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine 的返回值类型也是 void *，这个指针的含义同样由调用者自己定义。start_routine 返回时，这个线程就退出了，
其它线程可以调用 pthread_join 得到 start_routine 的返回值，
类似于父进程调用 wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍 pthread_join。
pthread_create 成功返回后，新创建的线程的 id 被填写到 thread 参数所指向的内存单元。
我们知道进程 id 的类型是 pid_t，每个进程的 id 在整个系统中是唯一的，
调用 getpid(2)可以获得当前进程的 id，是一个正整数值。线程id 的类型是 thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中 thread_t 这个类型有不同的实现，
它可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，
所以不能简单地当成整数用 printf 打印，调用 pthread_self(3)可以获得当前线程的 id。attr 参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传 NULL 给 attr 参数，
表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考 APUE。
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include<unistd.h>void* print(void* arg){printf("in print:pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());return NULL;
}
int main()
{pthread_t tid;//线程IDprintf("in main1:pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());tid=pthread_create(&tid,NULL,print,NULL);sleep(1);if(tid!=0){printf("pthread_create error\n");exit(1);}printf("in main1:pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());return 0;
}
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~/pthread$ vim pthread_create.c
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~/pthread$ gcc pthread_create.c -o pthread_create -lpthread
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~/pthread$ ./pthread_create
in main1:pthread id=140607852943168,pid=33317
in print:pthread id=140607852939008,pid=33317
in main1:pthread id=140607852943168,pid=33317
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>void* func(void* arg){int i=(int)arg;//sleep(i);printf("第%d个线程，pthread id=%lu,pid=%u\n",i,pthread_self(),getpid());return NULL;
}
int main()
{pthread_t tid;int i,ret;for(int i=0;i<5;i++){ret=pthread_create(&tid,NULL,func,(void*)i);if(ret!=0){fprintf(stderr,"pthread_create error:%s\n",strerror(ret));exit(1);}}sleep(1);printf("main pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());return 0;
}
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~/pthread$ ./cycle_pthread_create
第0个线程，pthread id=139641383798528,pid=36526
第3个线程，pthread id=139641265059584,pid=36526
第4个线程，pthread id=139641358620416,pid=36526
第1个线程，pthread id=139641375405824,pid=36526
第2个线程，pthread id=139641367013120,pid=36526
main pthread id=139641383802688,pid=36526
3.线程与共享
3.1 线程共享全局变量
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>int a=10;void* func1(void* arg){a=100;printf("pthread id=%lu,a=%d\n",pthread_self(),a);return NULL;
}void* func2(void* arg){printf("pthread id=%lu,a=%d\n",pthread_self(),a);return NULL;
}
int main()
{pthread_t tid1,tid2;int ret;ret=pthread_create(&tid1,NULL,func1,NULL);if(ret!=0){printf("pthread create error\n");exit(1);}sleep(1);ret=pthread_create(&tid2,NULL,func2,NULL);if(ret!=0){printf("pthread create error\n");exit(1);}sleep(1);return 0;
}
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~/pthread$ ./pthread_value
pthread id=140622421137152,a=100
pthread id=140622412744448,a=100
线程间共享全局变量！
【牢记】：线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助 mmap。
4.线程退出
4.1 pthread_exit 函数
将单个线程退出
void pthread_exit(void *retval); 参数：retval 表示线程退出状态，通常传 NULL
思考：使用 exit 将指定线程退出，可以吗？ 【pthrd_exit.c】
结论：线程中，禁止使用 exit 函数，会导致进程内所有线程全部退出。
在不添加 sleep 控制输出顺序的情况下。pthread_create 在循环中，几乎瞬间创建 5 个线程，但只有第 1 个线程有机会输出（或者第 2 个也有，也可能没有，取决于内核调度）如果第 3 个线程执行了 exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。
所以，多线程环境中，应尽量少用，或者不使用 exit 函数，取而代之使用 pthread_exit 函数，将单个线程退出。
任何线程里 exit 导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能 return 或 exit。
另注意，pthread_exit 或者 return 返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用 malloc 分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include<unistd.h>void* print(void* arg){sleep(1);printf("in print:pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());return NULL;
}
int main()
{pthread_t tid;//线程IDint ret;printf("in main1:pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());ret=pthread_create(&tid,NULL,print,NULL);sleep(1);if(ret!=0){printf("pthread_create error\n");exit(1);}printf("in main1:pthread id=%lu,pid=%u\n",pthread_self(),getpid());pthread_exit(NULL);
}
zhaoxr@zhaoxr-ThinkPad-E450:~/pthread$ ./pthread_exit
in main1:pthread id=139696593151808,pid=36805
in main1:pthread id=139696593151808,pid=36805
in print:pthread id=139696593147648,pid=36805
main主函数中没有使用return，并且不能使用exit函数，且其等待其它线程结束进程才结束。
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