【Linux】线程基本知识概述

忘是亡心i 2022-07-12 08:59 546阅读 0赞

本文内容概述：

1.线程的基本概念（包括线程的定义，线程之间的共享资源和私有资源）；

2.基本函数（包括线程的创建，终止，等待，可分离和可切换，当然其中还会涉及互斥锁方面的内容等等）。

1.线程的基本概念：

在前边的学习中，我们知道，进程是在各自独立的地址空间中运行，如果需要共享资源，则要进行进程间的通信，比如管道，消息队列，信号量，共享内存这些 ，所以完成通信是比较困难的。而线程是进程内的一个执行分支，顾名思义，线程是在进程内部执行，占用着进程的地址空间，所以，线程之间的通信是比较容易的---定义一个公共的buf，然后就能直接进行通信。

在Linux系统下，是没有线程 这个概念的，都是用进程去模拟线程。

我们看到的进程有可能是线程，所以，我们将线程称为轻量级进程。

由于线程是进程内部的执行流，所以线程就会共享一些进程的信息，当然也会有自己私有的信息：

线程共享进程的以下资源：

1）文件描述符信息；

2）每种信号的处理方式（由于线程是进程内部的执行流，所以每种信号的处理方式也是共享的）；

3）当前工作目录；

4）各种id信息，比如用户id和组id信息。

线程也会有自己私有的信息：

1）线程id；

2）线程的上下文信息（每个线程都必须有自己的上下文信息，存储在自己的PCB中，当然有些操作系统中会 有一种存储线程信息的TCB结构体）

3）栈空间

4）调度优先级

5）errno变量

在Linux下的C api函数发生异常时，一般会将errno变量（在errno.h文件中）赋予一个整形值，不同的值代表不同的含义，可以通过输出的值来查看出错的信息。

比如：printf("%d",errno);就可以输出异常时的错误码

6）信号屏蔽字信息，这里的 信号屏蔽字就有点类似于文件的权限信息中的umask。

2.基本函数：

（1）线程的创建

![Center][]

（2）线程的终止：

线程的终止方法是有3种：

a.直接在线程函数中return，但是在main函数中return，是表示整个进程的终止；

b.采用pthread\_cancel函数让同一进程中的其他的线程去终止；

![Center 1][]

程序举例：

#include<stdio.h>
    #include<pthread.h>
    #include<unistd.h>
    void* pthreadRun(void* arg)
    {
        int count = 3;
        while(count--)
        {
            printf("new pthread,tid:%lu,pid:%d\n",pthread_self(),getpid());
        }
    }
    int main()
    {
        pthread_t tid = 0;
        int ret = pthread_create(&tid,NULL,pthreadRun,NULL);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_detach");
            return -1;
        }
        sleep(1);
       if(pthread_cancel(tid)!= 0)
        {
            printf("cancel failed\n");
            return 1;
        }
    
        int exitCode;
        pthread_join(tid,(void**)&exitCode);
        printf("new pthread exit code:%d\n",exitCode);
        return 0;
    }

这段程序的运行结果是：

![Center 2][]

解释： 由于在主线程中已经sleep了1秒之后，才终止新线程的，由于在1秒之内，新线程早已运行完成，所以，就会终止失败。

如果将终止新线程之前的sleep去掉，程序的运行结果究竟是什么呢？

![Center 3][]

解释：新线程没有执行完成，就被主线程终止了，此时是终止成功的，所以退出码就是-1.

c.使用pthread\_exit（）自己终止自己。

![Center 4][]

（3）线程的等待：

![Center 5][]

（4）线程的可分离性：

一个线程是可结合的或者是可分离的。一个可结合的线程可以被与之在同一个进程中的其他线程所终止 ；而一个可分离的线程不需要主线程的等待，它的存储器等资源会在它运行结束时被操作系统回收。我们都知道，线程是进程内部的一个执行分支，为什么这么说？因为进程内的线程共享一个地址空间，所以在被分离的线程没有执行完成时，主线程不要退出，否则新的线程无法继续执行。主线程不可以等待被分离的线程。

![Center 6][]

程序举例：

#include<stdio.h>
    #include<pthread.h>
    #include<unistd.h>
    void* pthreadRun(void* arg)
    {
        int count = 3;
        while(count--)
        {
            printf("new pthread,tid:%lu,pid:%d\n",pthread_self(),getpid());
            sleep(1);
        }
    }
    int main()
    {
        pthread_t tid = 0;
        int ret = pthread_create(&tid,NULL,pthreadRun,NULL);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
        usleep(1000);
        ret = pthread_detach(tid);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_detach");
            return -1;
        }
         if(pthread_cancel(tid)!= 0)
        {
            printf("cancel failed\n");
            return 1;
        }
    
        int exitCode;
        if(0 == pthread_join(tid,(void*)&exitCode))
        {
            printf("wait success.\n");
            printf("new pthread exit code:%d\n",exitCode);
        }
        else
        {
            printf("wait failed\n");
        }
        return 0;
    }

程序运行结果：

![Center 7][]

解释：从运行结果我们可以看出，我们不可以等待已经被分离的线程，但是可以终止已经分离的线程。

（5）线程的切换：

线程切换的条件：

a.一个时间片的完成；

b.操作系统模式的切换（内核态向用户态的切换）。

时间片的结束，会进行线程的切换，这个是比较容易理解的。

为什么操作系统模式的切换就会进行线程的切换？因为线程（在linux系统下，线程也被认为是进程，也有自己的PCB）的PCB是在内核中，只有内核态（也就是系统）才可以进行查看线程的信息，即就是访问PCB。我们知道，系统调用都是在内核态进行完成的，printf函数的底层调用的就是系统调用，所以我们采用printf函数进行显示数据的时候，就可能完成线程的切换。

所以，写一个程序，制造线程的切换。

#include<stdio.h>
    #include<pthread.h>
    #include<unistd.h>
    static int count = 0;
    void* pthreadRun(void* arg)
    {
        int val = 0;
        int i = 0;
        while(i < 5000)
        {
            val = count;
            printf("new pthread,tid:%lu,pid:%d,count:%d\n",pthread_self(),getpid(),count);
            count = val + 1;
            i++;
        }
        return NULL;
    }
    int main()
    {
        pthread_t tid1 = 0;
        pthread_t tid2 = 0;
        int ret = pthread_create(&tid1,NULL,pthreadRun,NULL);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_create");
        return -1;
        }
        ret = pthread_create(&tid2,NULL,pthreadRun,NULL);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
        pthread_join(tid1,NULL);
        pthread_join(tid2,NULL);
        printf("count:%d\n",count);
        return 0;
    }

运行结果介于5000到10000之间不等。

如果我们给临界资源加锁，运行完代码之后解锁。代码如下：

#include<stdio.h>
    #include<pthread.h>
    #include<unistd.h>
    static int count = 0;
    pthread_mutex_t myLock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    void* pthreadRun(void* arg)
    {
        int val = 0;
        int i = 0;
        while(i < 3000)
        {
           pthread_mutex_lock(&myLock);
            val = count;
            printf("new pthread,tid:%lu,pid:%d,count:%d\n",pthread_self(),getpid(),count);
            count = val + 1;
            i++;
            pthread_mutex_unlock(&myLock);
        }
        return NULL;
    }
    int main()
    {
        pthread_t tid1 = 0;
        pthread_t tid2 = 0;
        int ret = pthread_create(&tid1,NULL,pthreadRun,NULL);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_create");
        return -1;
        }
        ret = pthread_create(&tid2,NULL,pthreadRun,NULL);
        if(ret != 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
        pthread_join(tid1,NULL);
        pthread_join(tid2,NULL);
        pthread_mutex_destroy(&myLock);
        printf("count:%d\n",count);
        return 0;
    }

这样对临界资源进行加锁之后，就可以保证全局变量最终可以加至6000.

关于互斥锁的函数的声明：

1）初始化和销毁函数

![Center 8][]

2）申请和释放锁资源函数

![Center 9][]

为什么加锁就可以防止线程之间相互干扰？

那是因为加锁就可以保证锁之间的代码是一个原子操作（要么执行就能执行完，要么不执行，也就是非0即1的状态）。

那么lock()和unlock()函数是如何实现的呢？

方法一：

![Center 10][]

解释：我们知道mutex = 0；这一步并不是原子操作，如果两个线程同时调用lock函数，都判断出mutex > 0，然后其中一个线程将mutex置为0，另一个线程并不知道此事，也将mutex置为0，于是两个线程都以为自己获得了锁资源，这样就发生了冲突。所以这种办法是不可行的。

执行赋值操作需要几步呢？

步骤一：将mutex的数据从内存读到寄存器；

步骤二：通过CPU内的运算器将mutex进行赋值；

步骤三：将mutex的值重新写回内存。

方法二：

![Center 11][]

解释：由于方法一中的赋值操作不是原子操作，导致上述方法不可取。为了解决这个问题，大多体系结构提供了swap或者exchange命令，将寄存器和内存里的值进行交换，就保证了原子操作。

lock函数 语句解释：

将al寄存器中的值放置为0；

将al寄存器和内存中的mutex的值进行交换；

......

如果执行了xchgb指令之后，又有一个线程申请锁资源，此时它看到的mutex就是0，表示不可以申请到资源；

如果执行了movb指令之后，又有一个线程申请锁资源，此时哪个线程获得锁资源，就看自己的优先级或者权限等等问题了。

所以，这个方法就是lock函数和unlock函数里执行的操作了。

关于线程的基本知识就先整理到这里~~

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