Linux之线程细究~~~~

清疚 2022-02-02 14:43 301阅读 0赞

## 线程 ##

**一、线程基本概念**  
　　首先要说的就是在我们Linux下并不存在真正的线程，在Linux下，线程采用进程模拟实现的。当我们在单个进程中需要处理多个任务时，又不能创建多个进程，这时我们就引入了线程的概念。在Linux下，由于线程是用进程实现的，所以我们也罢线程叫做 **轻量级进程** （LWP：light weight process），它的本质仍是进程。进程其实就是一个线程组，其中包含一个或者多个线程。  
　　  
**二、Linux下内核线程的实现原理**  
　　在类Unix系统中，早期是没有线程的概念的，在80年代左右才引进这个概念，它是利用进程实现线程的概念的。所以进程与线程是密切相关的。

1.  轻量级进程(light-weight process)，也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone
2.  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
3.  进程可以蜕变成线程
4.  线程可看做寄存器和栈的集合
5.  在linux下，线程最是小的执行单位；进程是最小的分配资源单位  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

**注：三级映射：进程PCB->页目录->页表->物理页面->内存单元**

对于进程来说，相同的一块虚拟地址在不同的进程中反复使用而不冲突，原因就是虽然它们是同一块虚拟地址，但是它们的页目录，页表，物理页面各不相同，最终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。但是线程不同！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”。因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只在用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数 pthread\_\* 是库函数，而非系统调用。

**三、同一个进程下线程共享与独有的数据**  
　　在讨论这个问题之前，我们还得回顾一下进程的一个知识点。我们知道，在创建进程的的时候,我们大部分用的是fork()函数，其实还有一个函数就是vfork()函数，vfork()函数创建的子进程与父进程共用同一块虚拟地址空间，它存在的意义就是快速的创建子进程，并且子进程是专门用来运行其它程序的，共用地址空间可以减少子进程数据拷贝父进程的消耗，因此速度快。但它有一个缺陷就是若子进程 return 后，有可能会造成父进程的程序调用栈混乱，这种情况是我们不愿意看到的。看到这里我想你应该知道我要说什么了。那就是多线程共享一块虚拟地址空间与vfork()函数一样，那么它是如何避免这个问题的呢？那就是通过线程之间共享与独有的数据。

**共享**

1.  内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)
2.  文件描述符表
3.  信号的处理方式
4.  当前工作目录
5.  用户ID与组ID

**独有**

1.  线程ID
2.  栈空间
3.  errno变量
4.  信号屏蔽字
5.  调度优先级
6.  寄存器

## 线程控制原语 ##

注意：使用线程库时gcc指定 –lpthread

1.  线程控制  
     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。
2.  线程终止  
    ~　从线程主函数return。这种方法对主控线程不适用，从main函数return相当于调用exit。  
    ~　一个线程可以调用pthread\_cancel终止同一进程中的另一个线程。  
    int pthread\_cancel(pthread\_t thread); 成功：0；失败：错误号  
    【**注意**】：线程的取消并不是实时的，而有一定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)。  
    类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所(存档点，如：客栈、仓库、城里等)才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点。  
    取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用creat，open，pause，close，read，write… 执行命令man 7 pthreads可以查看具备这些取消点的系统调用列表。  
    ~　线程可以调用pthread\_exit终止自己。  
    void pthread\_exit(void \*retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL
3.  线程等待：获取指定线程的返回值，并且允许操作系统回收线程资源，一个线程默认启动后处于joinable状态，处于这个状态的线程退出时不会自动释放资源。  
    int pthread\_join(pthread\_t thread, void \*\*retval); 成功：0；失败：错误号  
    参数：thread：线程ID （【注意】：不是指针）；retval：存储线程结束状态。
4.  线程分离：分离一个线程，线程退出后系统自动释放资源，被分离的线程无法被等待。网络、多线程服务器常用。 int pthread\_detach(pthread\_t thread); 成功：0；失败：错误号

## 多进程与多线程 ##

敲黑板啦。。既然多进程多线程都可以并发完成任务，哪个好？或者说，既然多进程可以完成，那么为什么还要引入多线程呢？上图~~

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
由于线程共用一个地址空间，所以线程间通信极为方便，相比于进程而言，线程的创建以及销毁的代价相对较低，进程它是一个线程组，那么对于线程而言，它的执行粒度更为细致。但同时它缺乏访问控制，健壮性低，像一些系统调用都是针对进程的，编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多，因为线程没有内存隔离，如果单个线程出现问题，那么有可能导致整个程序的退出。

**多线程与多进程的应用场景**

1.  需要频繁创建的销毁的优先使用线程，例如：web服务器。建立一个线程，断了就销毁线程。如果用进程，创建和销毁的代价是很难承受的。
2.  如果是CPU密集型程序优先使用线程，程序中都是大量的运算，那么它比较消耗CPU，切换比较频繁，使用线程比较合适。例如：图像处理，算法处理。
3.  强相关的程序处理用线程，弱相关的程序处理用进程。例如：一般的server需要完成如下任务：消息收发和消息处理。消息收发和消息处理就是弱相关的任务，而消息处理里面可能又分为消息解码、业务处理，这两个任务相对来说相关性就要强多了。因此消息收发和消息处理可以分进程设计，消息解码和业务处理可以分线程设计。
4.  可能扩展到多机分布的用进程，多核分布的用线程。

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