前言

目錄
1.Linux下的線程概念
2.Linux線程控制：pthread線程庫
在單執(zhí)行流的進程中，此執(zhí)行流獨占了進程的所有資源

在一個進程內(nèi)部，有時不一定只有一個執(zhí)行流，在多執(zhí)行流下，多個執(zhí)行流共享了進程的地址空間，我們把“一個程序內(nèi)部的控制序列”叫做線程

線程本質(zhì)是在進程的地址空間內(nèi)運行
進程的切換涉及到頁表映射的切換，而線程的切換只是切換了指令序列而在同一個地址空間中進行

那么我們給出下面兩個重要概念

• 進程是操作系統(tǒng)分配資源的基本實體
• 線程是進程內(nèi)部的一個執(zhí)行流

舉個栗子：
在現(xiàn)實生活中，假如我們把社會資源的基本單位看作是家庭，比如我們經(jīng)常以家庭年收入統(tǒng)計社會財富的分配狀況，那么此時：

• 操作系統(tǒng)—>社會
• 進程—>家庭
• 線程—>家庭成員

家庭成員共享了家庭的資源，家庭成員之間有共享的資源，也有私人的小秘密。

透過進程虛擬地址空間，可以看到進程的大部分資源，將進程資源合理分配給每個執(zhí)行流，就形成了線程執(zhí)行流

線程可以被創(chuàng)建、等待、終止、控制
家庭有生老病死、家規(guī)等等…

1.Linux下的線程概念

在Linux下，其實沒有真正意義上的線程概念，是用進程來模擬的

Linux的進程叫做輕量級進程

LWP是輕量級進程，在Linux下進程是資源分配的基本單位，線程是cpu調(diào)度的基本單位，而線程使用進程pcb描述實現(xiàn)，操作系統(tǒng)在創(chuàng)建線程時給每個線程都創(chuàng)建一個pcb結(jié)構(gòu)體，并且同一個進程中的所有pcb共用同一個虛擬地址空間，因此相較于傳統(tǒng)進程更加的輕量化有了更多執(zhí)行流之后。進程變成了分配資源的基本實體，進程一旦被創(chuàng)建好之后，里面可能有多個執(zhí)行流

與進程相比，線程在CPU執(zhí)行時可能更加輕量化：pcb上下文肯定要切換，但是線程的地址空間、頁表不用換；CPU調(diào)度時，看到的是LWP，也就是輕量級進程Light Weight Process

1.1 線程的優(yōu)點

• 創(chuàng)建一個新線程的代價要比創(chuàng)建一個新進程小得多
• 與進程之間的切換相比，線程之間的切換需要OS的工作量更少
• 線程占用的資源比進程少得多

1.2 線程能夠看到進程的所有資源，因為所有PCB都共享地址空間

• 好處：線程間通信成本低
• 壞處：存在大量的臨界資源，勢必需要使用各種互斥和同步機制保證臨界資源的安全

1.3 線程異常

線程是進程的一個執(zhí)行分支，當(dāng)發(fā)生野指針/除0等異常操作導(dǎo)致線程退出的同時，也意味著進程觸發(fā)了該錯誤，操作系統(tǒng)會給進程發(fā)送信號，終止進程。這體現(xiàn)了多線程下魯棒性降低了。

1.4 線程的共享與獨享

線程共享

• 文件描述符表
• 每種信號的處理方式
• 工作目錄
• 用戶id組id

獨有：

• 上下文數(shù)據(jù)（寄存器）：體現(xiàn)了多個線程是可以切換的
• 獨立的棧結(jié)構(gòu)：體現(xiàn)了線程是獨立運行的，各自的上下文數(shù)據(jù)不會互相影響

2.Linux線程控制：pthread線程庫

首先要強調(diào)一點：pthread庫并不是系統(tǒng)庫，而是Linux下為了模擬線程而采用的第三方庫。本質(zhì)是封裝了對于輕量級進程的某些操作。

鏈接這些線程函數(shù)庫時要使用編譯器命令的“-lpthread”選項
接口：
pthread_create()
pthread_join()
pthread_cancel()
pthread_exit()
pthread_self()

2.1線程的創(chuàng)建

功能： 創(chuàng)建一個新的線程
原型

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void * (*start_routine)(void*), void *arg);

4個參數(shù)

• thread:返回線程ID，這是進程地址空間的共享區(qū)的地址
• attr:設(shè)置線程的屬性，attr為NULL表示使用默認(rèn)屬性
• start_routine:是個函數(shù)地址，線程啟動后要執(zhí)行的函數(shù)
• arg:傳給線程啟動函數(shù)的參數(shù)，如果需要傳入多個參數(shù)，可以用結(jié)構(gòu)體封裝

返回值： 成功返回0；失敗返回錯誤碼

讓我們來玩一玩線程的創(chuàng)建，這邊我們在main函數(shù)，也就是主線程創(chuàng)建了新線程，又在新線程中創(chuàng)建了另外5個更新的線程，使用ps -aL 命令查看輕量級進程

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <unistd.h> using namespace std; void* routine(void* args) {while(true) {cout << "I am a thread" << endl;sleep(1);}return nullptr; } void* ThreadRoute(void* args) {pthread_t tids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(tids+i, nullptr, routine, nullptr);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_join(tids[i], nullptr);}return nullptr; } int main() {pthread_t tid; int thread_id = pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoute, (void*)"I am thread");while(true) {std::cout << "I am main process" << std::endl;sleep(2);}return 0; }

2.2 線程的終止

• 從自己的例程中return，線程退出
• 主線程退出，進程退出

有三種方法終止某個線程而不終止進程：

從線程函數(shù)return。這種方法對主線程不適用,從main函數(shù)return相當(dāng)于調(diào)用exit。

線程可以調(diào)用pthread_ exit終止自己。

一個線程可以調(diào)用pthread_ cancel終止同一進程中的另一個線程

線程一般終止之后，main thread等待，不等待會造成僵尸

為防內(nèi)存泄漏，要保證主線程最后退出，讓新線程正常結(jié)束

retral從pcb中提取退出碼

• 已經(jīng)退出的線程，其空間沒有被釋放，仍然在進程的地址空間內(nèi)。
• 創(chuàng)建新的線程不會復(fù)用剛才退出線程的地址空間。

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <stdlib.h> using namespace std;void* ThreadRoute(void* args) {int a = 0;int b = 10;b = b/a;return nullptr; }int main() {if(fork() == 0) {pthread_t tid; int thread_id = pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoute, (void*)"I am thread");exit(11);}int status;pid_t id = waitpid(-1, &status, 0);cout << "exit code: " << ((status>>8)&0xff) << endl;cout << "sig: " << ((status)&0x7f) << endl;return 0; }

我們精心設(shè)計了除0錯誤：

在進程exit code中，存有退出碼+信號，而信號是針對進程的，線程崩潰進程隨之崩潰

子進程創(chuàng)建的線程的除0錯誤導(dǎo)致OS給子進程發(fā)送信號，子進程的主線程崩潰，退出碼收不到

關(guān)于pthread_cancel

• sleep新線程被創(chuàng)建了但是沒有被調(diào)度你就cancel了，建議一定要讓新線程被調(diào)度跑起來
• cancel具有一定的延時性，并不一定立即執(zhí)行
• cancel建議不要再開頭或結(jié)尾使用

2.3 線程等待

為什么要等待？

• 已經(jīng)退出的線程，其空間沒有被釋放，仍然在進程的地址空間內(nèi)。
• 創(chuàng)建新的線程不會復(fù)用剛才退出線程的地址空間。

功能：等待線程結(jié)束
原型

int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

參數(shù)

• thread:線程ID
• value_ptr:它指向一個指針，后者指向線程的返回值

返回值成功返回0；失敗返回錯誤碼

調(diào)用該函數(shù)的線程將掛起等待,直到id為thread的線程終止。thread線程以不同的方法終止,通過pthread_join得到的
終止?fàn)顟B(tài)是不同的，總結(jié)如下:

如果thread線程通過return返回,value_ ptr所指向的單元里存放的是thread線程函數(shù)的返回值。

如果thread線程被別的線程調(diào)用pthread_ cancel異常終掉,value_ ptr所指向的單元里存放的是常數(shù)PTHREAD_ CANCELED。

如果thread線程是自己調(diào)用pthread_exit終止的,value_ptr所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數(shù)。

如果對thread線程的終止?fàn)顟B(tài)不感興趣,可以傳NULL給value_ ptr參數(shù)。

我們讓線程return一個new出來的5

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <stdlib.h> using namespace std;void* ThreadRoute(void* args) {int* p = new int(5);cout << "threadID: " << pthread_self() << endl;sleep(2);return (void*)p; } int main() { if(fork() == 0) {pthread_t tid; void* ret;int thread_id = pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoute, (void*)"I am thread");pthread_join(tid, &ret);cout << "ret: " << *(int*)ret << endl;delete (int*)ret;exit(11);}int status;pid_t id = waitpid(-1, &status, 0);cout << "exit code: " << ((status>>8)&0xff) << endl;cout << "sig: " << ((status)&0x7f) << endl;return 0; }

2.4 獲取線程ID

pthread_ create函數(shù)會產(chǎn)生一個線程ID，存放在第一個參數(shù)指向的地址中。該線程ID和前面說的線程ID不是一回事。

前面講的線程ID屬于進程調(diào)度的范疇。因為線程是輕量級進程，是操作系統(tǒng)調(diào)度器的最小單位，所以需要一個數(shù)值來唯一表示該線程。

pthread_ create函數(shù)第一個參數(shù)指向一個虛擬內(nèi)存單元，該內(nèi)存單元的地址即為新創(chuàng)建線程的線程ID，屬于NPTL線程庫的范疇。線程庫的后續(xù)操作，就是根據(jù)該線程ID來操作線程的。

線程庫NPTL提供了pthread_ self函數(shù)，可以獲得線程自身的ID：

pthread_t pthread_self(void); #include <iostream> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <stdlib.h> using namespace std;void* ThreadRoute(void* args) {cout << "threadID: " << pthread_self() << endl; } int main() {if(fork() == 0) {pthread_t tid; int thread_id = pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoute, (void*)"I am thread");exit(11);}int status;pid_t id = waitpid(-1, &status, 0);return 0; }

2.5 線程分離

線程分離的本質(zhì)是讓主線程不join新線程，不關(guān)心返回值，從而讓新線程退出的時候自動回收

如果一個線程被設(shè)置為分離狀態(tài)，他就不該被join
如果你join，結(jié)果就是未定義
即便線程被設(shè)置為分離狀態(tài)，但是如果該線程依舊出錯崩潰，還是會影響主線程和其他正常線程 -> 所有線程在同一個地址空間中運行

int pthread_detach(pthread_t thread);

可以是線程組內(nèi)其他線程對目標(biāo)線程進行分離，也可以是線程自己分離:

pthread_detach(pthread_self());

線程分離后，主線程等待不到新線程：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> void* thread_run(void* arg) {pthread_detach(pthread_self());printf("%s\n", (char*)arg);return NULL; } int main(void) {pthread_t tid;if (pthread_create(&tid, NULL, thread_run, "thread1 run...") != 0) {printf("create thread error\n");return 1;}int ret = 0;sleep(1);//很重要，要讓線程先分離，再等待if (pthread_join(tid, NULL) == 0) {printf("pthread wait success\n");ret = 0;}else {printf("pthread wait failed\n");ret = 1;}return ret; }

3.總結(jié)補充

為什么要有pthread原生線程庫?

linux沒有真正的線程，是用進程來模擬的

操作系統(tǒng)是不會直接提供類似的線程創(chuàng)建、退出、分離、等待相關(guān)的system call 接口，但是會提供創(chuàng)建輕量級進程的接口，但是用戶需要有所謂的線程創(chuàng)建、退出、分離、等待相關(guān)的接口啊，所以為了更好的適配輕量級進程的接口，就模擬封裝了一個用戶層原生線程庫NPTL

可是進程是PCB去管理的，用戶層先要以管理線程的辦法來管理輕量級進程，就得知道，線程id，狀態(tài)，優(yōu)先級，其他屬性，從而用來進行用戶線程管理！

所以tcb不用內(nèi)核維護，而在用戶層維護

曾經(jīng)的pthead_t 是用戶層的概念，是pthread庫中的地址

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相當(dāng)于警察派了幾個線人去犯罪集團當(dāng)臥底，警察不懂行話，但是線人懂，所以線人充當(dāng)了和犯罪分子溝通的角色，而線人反手會把情報用人話反饋給警察

警察只需要來操縱、管理線人，就能得到情報

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux】线程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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