Linux多线程---线程概念和线程控制

线程概念
- 什么是线程？
- - CPU视角：
  - 与进程的关系：
- Linux下线程概念
- - 那么CPU能分辨task_struct是进程和线程吗？
- 理解页表
- - 为何以多级页表实现？
  - 多级页表是如何实现的？
  - 多级页表的优点
- 多线程的特点
- - 优点
  - 缺点
- 线程异常
- 线程用途
- 进程和线程的关系
线程控制
- 创建线程
- 等待线程
- 线程退出
- 线程分离
- 线程id

线程概念

什么是线程？

CPU视角：

线程是CPU调度的基本单位

与进程的关系：

线程是进程内部的执行流，线程比进程粒度更细，调度成本更低，切换成本更低

线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行，一个进程至少有一个执行线程

透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流

Linux下线程概念

在Linux系统的CPU眼中，看到的PCB其实就是轻量化进程，看图理解：

将上图的所有的task_struct,进程地址空间，页表这三者之和称为进程，而对于每个task_struct就是线程。所以创建线程时只创建PCB，线程只占用进程地址空间中的一部分代码和一部分数据。

站在OS的角度重新理解进程：进程是承担分配系统资源的实体（向系统申请资源的基本单位）。

对于只有一个task_struct的进程就是单执行流进程，不止一个task_struct的进程就是多执行流进程。

那么CPU能分辨task_struct是进程和线程吗？

答案：不能也不需要，在Linux中进程和线程没有概念上的区分，都叫执行流，CPU只需要关心一个个独立执行流。无论进程内部只有一个执行流还是有多个执行流，CPU都是以task_struct为单位进行调度的。

类比理解：进程和线程关系就好像家庭和家庭成员，家庭是分配社会资源的基本载体，家庭成员占一部分资源。

站在CPU的视角：task_struct <= 传统的进程（当且仅当进程是单执行流，等号成立），也就是所CPU看到的PCB比传统的进程更轻量化了。

理解页表

为何以多级页表实现？

以32位平台为例，会产生2^{32个地址，倘若是一张页表建立虚拟地址和物理内存的映射，则需要2}32个页表项，页表项中还包含权限相关的信息，比如字符串常量不能修改，因为页表中有读写权限标识了变量的读写权限，这样一张页表的占据空间是巨大的，所以Linux下的页表是以多级页表实现的。

多级页表是如何实现的？

以32位平台为例，多级页表的组成：页目录 + 页表，将32位地址分成3部分=10+10+12

页目录：虚拟地址前10位映射到-> 页表

页表：虚拟地址的中间10位映射到-> page的起始地址（页框4KB）

画图理解：

物理内存被分成了一个个4KB大小的页框page，可见对内存的管理就是对数组struct page mem[1024*1024]的管理。

多级页表的优点

1.将进程虚拟地址管理和内存管理，通过页表+页框page解耦

2.使用分页机制和按需创建页表，节省了内存空间

多线程的特点

优点

线程创建：创建线程的代价比创建进程的代价小很多

线程切换：与进程切换相比，线程需要OS做的工作少很多

线程占有资源：线程占用的资源比进程少很多

利用多处理器：能充分利用多处理器的可并行数量

并行处理任务：在等待慢速IO的时候，程序可以执行其他计算任务

计算密集型应用：在多处理器系统上运行，不同CPU执行不同的计算线程

I/O密集型应用：将IO操作重叠，不同线程等待不同的IO操作，提高性能

缺点

性能损失：计算密集型应用的计算线程数量大于处理器数量，较大的性能消耗，增加额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。

健壮性降低：编写多线程程序需要更全面深入的考虑，因为时间的影响导致不该共享的变量共享了会造成影响，因为多个线程使用同一个地址空间，会相互影响，又称线程之间是缺乏保护的。

缺乏访问控制：进程是访问控制的基本粒度，线程的IO函数会影响整个进程，比如不同同时往显示器打印

编程难度提高：排查问题难度更大，编写多线程程序比单线程程序更难

线程异常

当一个线程异常的时候，会导致整个进程退出，因为线程异常的时候，就是进程异常了，进程就会收到OS发来的信号，进而进程退出。当创建新的线程异常的时候，新线程异常退出的信号是整个进程的，主线程不用主动获取。线程异常会使异常的线程影响其他的线程，所以线程的健壮性较低。

线程用途

1.提高CPU密集型程序的执行效率

2.提高IO密集型程序的用户体验

进程和线程的关系

进程是OS分配资源的基本单位，线程是CPU调度的基本单位，因为线程共用一份地址空间，因此代码段（Text Segment、Data Segment)，数据段都是共享的，定义函数、全局变量，在各线程都可以看到，除此之外，线程还共享:

文件描述符表

每种信号处理方式（SIG_IGN、SIG_DFL或者自定义的信号处理函数)

当前工作目录

用户 id 和组 id

线程共享进程数据，也拥有自己的一部分数据：

线程 ID

一组寄存器

线程栈

errno（错误码）

信号屏蔽字

调度优先级

线程控制

原生线程库：Linux下有一套遵从POSIX标准的线程库，与线程有关的函数构成了一个完整的序列，绝大多数函数名以pthread_开头，使用函数时需要引入头文件<pthread.h>，编译的时候需要使用-lpthread选项表示要链接线程库pthread。在C++11中也更新了线程库，C++的线程库也是封装了这套原生线程库的。

创建线程

使用函数pthread_create创建线程，函数原型：

参数说明：

thread：输出型参数，表示线程id

attr：设置创建线程的属性，传入NULL表示使用默认属性

start_routine：线程执行的函数，该函数的返回值类型是void*，作为线程等待的输出型参数

arg：线程执行的函数传入的参数

函数返回值：创建成功返回0，创建失败返回错误码

等待线程

使用函数pthread_join等待退出的线程，倘若不做此工作也没有分离线程，就会造成类似僵尸进程般的内存泄露。

函数原型：

参数说明：

thread：等待的线程id

retval：输出型参数，输出进程的退出码

函数返回值：等待成功返回0，错误时返回错误码

线程退出

退出方法：

1.在线程运行函数中return

void*threadRoutine(void*args)
{...return nullptr;
}

2.线程调用函数pthread_exit主动退出

3.线程调用pthread_cancle取消其他线程（通常是主线程调用）

注意：线程调用exit函数会退出进程，任何一个线程调用都代表整个进程退出。

线程分离

使用pthread_detach函数分离指定线程，相当于告诉OS线程退出时自动释放线程资源

可以让其他线程分离，或者自己主动分离。让主线程分离时，主线程退出相当于进程退出，分离主线程后，主线程一般不退出（常驻内存）。

线程分离相当于线程退出的第四种退出方式，延后退出。

线程id

线程调用函数pthread_self可以获取线程的线程id

代码实例：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;void *threadRoutine(void *args)
{pthread_detach(pthread_self());for (int i = 0; i < 20; i++){cout << "[" << pthread_self() << "] pthread " << (int)i << "is running..." << endl;sleep(1);}return nullptr;
}
int main()
{pthread_t tp[3];for (int i = 0; i < 3; i++){pthread_create(&tp[i], nullptr, threadRoutine, (void *)i);}while (1){cout << "main thread is running!" << endl;sleep(1);}return 0;
}

编译运行程序，使用ps -aL查看线程，L表示查看轻量级进程（LWP）。

可以看到多个线程往显示器打印出现了混乱。上图的LWP，是OS标识轻量级进程的编号，即线程：LWP=1：1。

线程是独立执行流，在运行过程中会产生临时数据，需要有自己独立的栈结构，所有的代码执行都在进程的地址空间中，线程的全部实现，并没有体现在OS内，而是OS提供执行流，具体的线程结构由库来管理，在进程地址空间加载的共享区中的线程库维护着线程结构，每个用户级线程的控制结构体的起始地址就是线程id，如图：

线程的局部存储指的是线程私有的全局变量，指定线程的代码中在全局变量前加上 __thread可以使变量变成私有的全局变量。

链接的线程库：

线程控制块中有私有栈,底层是通过调用clone函数实现的：

这个函数可以创建共享内存空间的进程，其实是Linux下的线程的原型。

另外使用syscall(SYS_gettid)间接调用gettid 可以获得LWP，如下：

#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/types.h>int main(int argc, char *argv[])
{pid_t tid;tid = syscall(SYS_gettid);tid = syscall(SYS_tgkill, getpid(), tid);
}

另外使用syscall(SYS_gettid)间接调用gettid 可以获得LWP，如下：

#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/types.h>int main(int argc, char *argv[])
{pid_t tid;tid = syscall(SYS_gettid);tid = syscall(SYS_tgkill, getpid(), tid);
}