Thread Basic

基礎(chǔ)概念

線程是操作系統(tǒng)能夠調(diào)度和執(zhí)行的基本單位，在Linux中也被稱之為輕量級進程。從定義中可以看出，線程它是操作系統(tǒng)的概念，在不同的操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)是不同的，不過今天分享的豬腳是Linux Thread。

對于Linux操作系統(tǒng)而言，它對Thread的實現(xiàn)方式比較特殊。在Linux內(nèi)核中，其實是沒有線程的概念的，它把所有的線程當做標準的進程來實現(xiàn)，也就是說Linux內(nèi)核，并沒有為線程提供任何特殊的調(diào)度語義，也沒有為線程實現(xiàn)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。取而代之的是，線程只是一個與其他進程共享某些資源的進程。每一個線程擁有一個唯一的task_struct結(jié)構(gòu)，Linux內(nèi)核它僅僅把線程當做一個正常的進程，或者說是輕量級進程，LWP(Lightweight processes)。

對于其他的操作系統(tǒng)而言，比如windows，線程相對于進程，只是一個提供了更加輕量、快速執(zhí)行單元的抽象概念。對于Linux而言，線程只是進程間共享資源的一種方式，非常輕量。舉個簡單例子，假設(shè)有一個進程包含了N個線程。對于那些顯示支持線程的操作系統(tǒng)而言，應(yīng)該是存在一個進程描述符，依次輪流指向N個線程。這個進程描述符指明共享資源，包括內(nèi)存空間和打開的文件，然后線程描述它們自己獨享的資源。相反的是在Linux中，只有N個進程，因此有N個task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只是這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的某些資源項是共享的。

這里再總結(jié)一下，Linux線程是進程資源共享的一種方式，而其他操作系統(tǒng)，線程則是一種實現(xiàn)輕量、快速執(zhí)行單元的抽象概念或者實體。這里再深入的理解一下，Linux中的線程和進程的區(qū)別。這也是諸多面試題中，最常見的一個。

資源共享

Linux線程與進程的區(qū)別，主要體現(xiàn)在資源共享、調(diào)度、性能幾個方面，首先看一下資源共享方面。上面也提到，線程其實是共享了某一個進程的資源，這些資源包括：

• 內(nèi)存地址空間
• 進程基礎(chǔ)信息
• 大部分數(shù)據(jù)
• 打開的文件
• 信號處理
• 當前工作目錄
• 用戶和用戶組屬性
• 等等

哪些是線程獨自擁有的呢？

• 線程ID
• 一系列的寄存器
• 棧的局部變量和返回地址
• 錯誤碼 errno
• 信號掩碼
• 優(yōu)先級
• 等等

這里說一個黑科技，線程擁有獨立的調(diào)用棧，除了棧之外共享了其他所有的段segment。但是由于線程間共享了內(nèi)存，也就是說一個線程，理論上是可以訪問到其他線程的調(diào)用棧的，可以用一個指針變量，去訪問其他線程的局部棧幀，以訪問其他線程的局部變量。

調(diào)度

說到調(diào)度，就得提到進程的上下文切換。上下文切換也被稱作為進程調(diào)度或者任務(wù)切換，簡單的來說是把CPU從一個進程或者線程切換到另一個執(zhí)行。概括的來說，線程的上下文切換，要比進程更加快速，因為本質(zhì)上，線程很多資源都是共享進程的，所以切換時，需要保存和切換的項是很少的。

線程上線文切換時，虛擬地址空間是不變的，但是進程上下文切換時，是需要重新映射虛擬地址空間。進程切換上下文時，進出OS內(nèi)核&寄存器切換，是最大的時間支出。更模糊的代價是上下文切換時，會干擾處理器的緩存機制。當上下文切換時，處理器需要重新cache一些內(nèi)存。

這里更大的一個區(qū)別時，當更改虛擬地址空間時，CPU 的 TLB 等也會被刷新，導(dǎo)致接下來的內(nèi)存訪問更加耗時，所以相對線程切換來說，進程的切換耗時更大。

性能

從性能方面，來查看一下線程與進程的對比。由于線程更加輕量，導(dǎo)致線程的創(chuàng)建速度、切換速度都要高于進程。這里就有一個疑問了，從上面提到的各個方面來看，好像線程都要優(yōu)于進程，那么有沒有啥缺點呢？

線程缺點

線程同樣也有缺點，最大的缺點是線程的不安全性，缺乏保護機制。就是上面提到的黑科技，因為線程間共享數(shù)據(jù)，一個線程可以重寫另外一個線程的堆棧，導(dǎo)致出現(xiàn)一些異常的情況。除此之外，線程還有以下缺點：

• 共享屬性：全局變量是在所有線程間共享的，訪問時是需要同步加鎖。
• 很多庫函數(shù)是線程非安全的，多線程編程時，需要注意這一點。
• 線程的健壯性不強，如果一個線程crash了，那么整個應(yīng)用程序就跪了。

應(yīng)用場景

上面提到了線程與進程的對比，也提到了線程的優(yōu)點和缺點，那么什么情況下適合用線程呢？簡單的來說，計算密集型的任務(wù)，適合于多線程來處理。因為計算密集型任務(wù)，需要耗費很多CPU，上下文的切換是非常頻繁的，而線程切換速度是高于進程的，所以使用線程是更加適合的。在實際的編程過程中，根據(jù)業(yè)務(wù)的場景，再結(jié)合進程和線程的優(yōu)缺點對比，來決定適合的編程模型。

線程創(chuàng)建

那么Linux中線程是如何創(chuàng)建出來的呢？上面也提到，在Linux中線程是一種資源共享的方式，可以在創(chuàng)建進程的時候，指定某些資源是從其他進程共享的，從而在概念上創(chuàng)建了一個線程。在Linux中，可以通過clone系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建一個進程，它的函數(shù)簽名如下：

#include <sched.h> int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg, ...);

我們在使用clone創(chuàng)建進程的過程中，可以指明相應(yīng)的參數(shù)，來決定共享某些資源，比如:

clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);

這個clone系統(tǒng)調(diào)用的行為類似于fork，不過新創(chuàng)建出來的進程，它的內(nèi)存地址、文件系統(tǒng)資源、打開的文件描述符和信號處理器，都是共享父進程的。換句話說，這個新創(chuàng)建出來的進程，也被叫做Linux Thread。從這個例子中，也可以看出Linux中，線程其實是進程實現(xiàn)資源共享的一種方式。

內(nèi)核線程

在Linux中，還存在一個Kernel Thread的概念，也就是內(nèi)核線程。內(nèi)核創(chuàng)建一些內(nèi)核線程來執(zhí)行一些后臺任務(wù)。相對于普通的進程，內(nèi)核線程完整的存在于內(nèi)核空間，是沒有自己的地址空間的，也就是mm指針為空，它的操作僅存在于內(nèi)核態(tài)，并且也不會上下文切換到用戶態(tài)。不過內(nèi)核線程和普通進程類似的是，是可調(diào)度和可搶占的。

同步

由于線程間共享了很多資源，所以在多線程的編程環(huán)境下，為了保障結(jié)果的準確性和一致性，需要對共享資源的訪問進行同步。常見的同步方式，也就是加鎖，以保障操作共享資源時，不會出錯。在Linux中，鎖的種類大致有四種:

• 互斥鎖
• 讀寫鎖
• 條件變量
• 自旋鎖
• 內(nèi)存屏障

有興趣的同學(xué)，看看看下這篇文章：http://blog.lecury.cn/2016/02/21/%E5%90%8C%E6%AD%A5%E4%BA%92%E6%96%A5(%E9%94%81).html ?？偨Y(jié)來說，鎖的代價是高昂的，所以在設(shè)計高并發(fā)、高吞吐的程序時，盡量避免鎖的使用，或者減少鎖的區(qū)間。

常見的多線程編程模式

下面談一下實際工作中，要如何合理的線程呢？這里我簡單的提出三種常見的線程模型。

• leader-follow 模型（主從）
  • 線程與連接對應(yīng)，并發(fā)度等于線程數(shù)。
  • 所有線程經(jīng)歷accept->close整個過程。
  • 適用于連接數(shù)少、處理時間長、CPU密集型服務(wù)。
• producer-consumer模型（生產(chǎn)者消費者）
  • 主線程用于accept請求，并將fd放置在消費隊列pendingpool中。
  • pendingpool進行連接的維護工作。
  • 多個worker競爭pendingpool的連接。
  • 適用于連接數(shù)多、處理速度快的業(yè)務(wù)。
• 高并發(fā)索引模型
  • 無鎖設(shè)計
  • 將請求或者事務(wù)映射到具體線程處理

踩過的坑和小技巧

• 同步
• 過載保護
• 公平調(diào)度
• 析構(gòu)出core

更加詳細的內(nèi)容，請參考知乎Live:

如何理解和應(yīng)用Linux線程模型？?www.zhihu.com

感興趣的同學(xué)，可以加QQ群: 853832829 一起學(xué)習(xí)~

總結(jié)

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

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