Linux中的线程

Linux中线程的概念和控制

概念

线程是进程的内执行的，线程是在进程的地址空间内运行的。线程的执行粒度比进程更细。
任何执行流执行，都要有资源。线程就是利用了进程的进程地址空间资源。并且线程中的大部分资源都是共享的。
线程是操作系统调度的基本单位。而进程是承担操作系统分配资源的基本实体。
- 进程包含了线程，用来描述管理线程的结构是线程控制块（TCB，Thread Control Block）。在Linux中，线程和进程的管理都通过任务结构（task_struct）来实现，因此，Linux的线程和进程使用同样的机制进行管理。
- 由于这种设计，Linux没有单独的TCB结构，而是复用了PCB结构来管理线程。因此，虽然Linux有线程的概念，但线程和进程在内核层面并没有本质区别。

线程的独立结构

栈空间：每个线程都有自己的栈，用于保存函数调用信息、本地变量等。栈是线程私有的。
线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）：每个线程可以有自己的线程局部存储区，用于存储线程特有的数据。
线程 ID（TID）：每个线程有自己唯一的线程标识符。

线程的共享部分

进程的虚拟地址空间：
- 所有线程共享同一个进程的虚拟地址空间，因此它们可以访问相同的全局变量、堆内存和已映射的文件。线程之间可以通过共享内存区进行数据交换。
全局变量和静态变量：
- 线程可以共享进程中的全局变量和静态变量。这意味着一个线程修改了全局或静态变量，其他线程也会看到相同的变化，也因此可能要设置锁。
堆内存：
- 进程的所有线程都共享堆内存。这意味着一个线程分配的动态内存（通过 malloc、new 等）可以被其他线程访问。
文件描述符（File Descriptors）：
- 进程打开的文件描述符（包括套接字）在所有线程之间共享。一个线程可以读写另一个线程打开的文件或套接字。
当前目录（Current Working Directory）：
- 所有线程共享进程的当前工作目录。这意味着如果一个线程更改了进程的当前目录（例如使用 chdir 函数），其他线程也会受到影响。
信号处理器：
- 线程共享同一个信号处理器设置。如果进程中的一个线程接收到信号，所有线程都可能被中断，或者根据信号的类型和设置，某个特定线程会处理该信号。
进程标识符（PID）：
- 虽然每个线程都有一个唯一的线程标识符（TID），但它们共享同一个进程标识符（PID）。
用户 ID 和组 ID：
- 线程共享进程的用户 ID（UID）、有效用户 ID（EUID）和组 ID（GID）。这决定了线程对系统资源的访问权限。
进程间通信（IPC）机制：
- 线程可以共享进程的 IPC 机制，如管道、消息队列和共享内存段。

共享数据的不一致问题

如果有若干个执行流对一个共享数据的修改操作没有结束就被切走。那么可能导致共享数据的不一致。

因此在对共享数据进行访问的时候，我们需要保证只有一个执行流访问，即对进程进行加锁。

创建线程

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

线程的创建对应的函数是pthread_create()，线程不是一个完全由内核实现的机制，它是由内核态和用户态合作完成的。
- pthread_create()不是一个系统调用。
- thread:返回线程ID。
- attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性。
- start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数。
- arg:传给线程启动函数的参数，也可以传递类对象。
- 返回值：成功返回0；失败返回错误码。

如何获取线程的返回值？

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

pthread_join 函数用于等待指定的线程终止，并获取其返回值。retval 是一个二级指针，其作用是存放线程返回值的指针。
在线程函数中，可以通过 pthread_exit 或者直接返回一个指针类型的值来设置线程的返回值。在调用 pthread_join 时，retval 指向的内存会被更新为线程的返回值。例如，在系统调用内，*retval = return_val 的方式，将线程的返回值拷贝给 retval 指向的变量。

如何让线程执行不同的代码？

由于每个函数地址都不一样，那么只要让每个函数让不同的线程去跑，就已经实现了线程的分离。

线程的分离

线程分离是指在多线程编程中，主线程创建了一个子线程后，子线程与主线程脱离关系，成为独立的线程。

线程分离的作用：

避免资源泄露：通常，主线程在子线程完成时调用 pthread_join 来回收资源。如果不调用 pthread_join 而子线程结束了，线程的资源将保持未释放的状态，导致资源泄露。通过线程分离，子线程完成后会自动释放资源。
无需等待子线程完成：对于一些任务，主线程不关心子线程何时完成或完成状态，那么可以将子线程设置为分离状态，主线程继续执行其他工作，无需等待子线程完成。

1. 在创建线程时设置分离属性：

#include <pthread.h>

void* thread_function(void* arg) {
    // 子线程执行的代码
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_attr_t attr;
    
    pthread_attr_init(&attr);                      // 初始化线程属性对象
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);  // 设置线程分离状态

    pthread_create(&thread, &attr, thread_function, nullptr);  // 创建线程
    pthread_attr_destroy(&attr);                   // 销毁线程属性对象

    // 主线程不需要等待子线程完成
    // pthread_join(thread, nullptr); // 不需要这个

    return 0;
}

2. 在线程创建后，将其设置为分离状态：

#include <pthread.h>

void* thread_function(void* arg) {
    // 子线程执行的代码
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t thread;

    pthread_create(&thread, nullptr, thread_function, nullptr);  // 创建线程
    pthread_detach(thread);  // 设置线程为分离状态

    // 主线程不需要等待子线程完成
    // pthread_join(thread, nullptr); // 不需要这个

    return 0;
}

注意事项：

一旦线程被分离，主线程不能再对该线程使用 pthread_join，否则会导致错误。
分离线程主要适用于那些不需要主线程关注其执行结果的子线程。

线程分离对于资源管理非常有用，尤其是在需要创建大量线程的应用中，避免了主线程对每个子线程的 pthread_join 调用。

线程的切换

线程的切换比起进程切换更加轻量。

Cache:CPU进行线程切换的时候，上下文会切换，但是Cache不会被重启缓存。只有在进程切换的时候，Cache数据才会被重新缓存。其中Cache中的数据叫做热数据。

其中，刚启动的线程叫做主线程。

线程异常

单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃-。
线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出。

线程退出

线程执行完毕之后return val。
使用pthread_exit()。

线程用途

合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率。
合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验。（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）

clone和pthread线程库

Linux中自带的用于创建“轻量级进程”的接口clone()比较复杂且要求权限较高，于是我们使用被线程库pthread（动态库）封装过的接口，使用起来更加方便安全。

线程库需要维护多个线程的属性集合，因此线程库中具有多个线程控制块(tcb)

其中，每一个线程都需要有自己的栈结构，用来保证每个线程的执行流独立。因此，除了主线程，其它线程的独立栈，都在共享区，已载入的pthread库中。

tcb和pthread_t

pthread_t

pthread_t 是 POSIX 线程库定义的线程标识符类型，其具体类型取决于实现。在 Linux 的 NPTL (Native POSIX Thread Library) 实现中，pthread_t 类型的线程 ID 通常为指针，对应于进程地址空间上的一个地址。这些实现细节对用户代码来说是透明的，用户只需要使用**pthread_t 类型的变量来表示和操作线程 ID**。

线程的局部存储

独立的栈结构，保证线程之间执行流独立。但实际上它们都还是处于同一个地址空间中的。
- 如果一个线程想要一个私有的全局变量。那么需要在声明全局变量的时候，需要使用__thread（eg.__thread int num = 5）。这种技术即叫线程的局部存储，但是只能用来修饰内置类型，不能用来修饰自定义类型。

线程函数中的void *

线程中回调函数的返回值和参数类型为 void * 是为了提供最大的灵活性和通用性。
参数类型为 void *
1. 我们可以在创建线程时传递任何类型的数据指针。例如，可以传递一个指向整数、结构体或数组的指针。
2. 类型转换（ static_cast等方法）：在线程函数内部，参数可以被转换回其原始类型并进行操作。这允许在线程函数中处理多种类型的数据。
返回值类型为 void *
1. void * 作为返回类型允许线程函数返回任意类型的结果。线程函数可以将结果存储在堆内存中，并返回一个指向该结果的指针。
2. 线程回收：当线程结束时，调用 pthread_join 函数可以接收线程函数的返回值。使用 void ** 类型的指针作为 pthread_join 的第二个参数，可以接收并处理线程函数的返回值。

实验代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

// 线程函数
void* thread_func(void* arg) {
    int* num = (int*)arg;
    int* result = (int*)malloc(sizeof(int));
    *result = (*num) * 2; // 计算结果
    pthread_exit((void*)result);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    int arg = 21;
    int* retval;

    // 创建线程
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_func, (void*)&arg) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }

    // 等待线程终止并获取返回值
    if (pthread_join(thread, (void**)&retval) != 0) {
        perror("pthread_join");
        return 1;
    }

    printf("Thread returned: %d\n", *retval);
    free(retval); // 释放分配的内存

    return 0;
}

线程相关的函数

函数	原型	描述
pthread_create	`int pthread_create(pthread_t thread, const pthread_attr_t attr, void (start_routine)(void ), void arg);`	创建一个新的线程。
pthread_exit	`void pthread_exit(void *retval);`	终止调用线程，并返回一个值。
pthread_join	`int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);`	等待一个线程终止,获取返回值(默认是阻塞等待的)。
pthread_detach	`int pthread_detach(pthread_t thread);`	分离线程，使其在终止时自动释放资源。
pthread_self	`pthread_t pthread_self(void);`	获取调用线程的线程ID。
pthread_equal	`int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);`	比较两个线程ID是否相等。
pthread_cancel	`int pthread_cancel(pthread_t thread);`	向线程发送取消请求(返回值会被设置为`-1`)。
pthread_once	`int pthread_once(pthread_once_t once_control, void (init_routine)(void));`	确保某个初始化函数仅执行一次。
pthread_key_create	`int pthread_key_create(pthread_key_t key, void (destructor)(void*));`	创建线程特定数据的键。
pthread_key_delete	`int pthread_key_delete(pthread_key_t key);`	删除线程特定数据的键。
pthread_setspecific	`int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value);`	设置线程特定数据的值。
pthread_getspecific	`void *pthread_getspecific(pthread_key_t key);`	获取线程特定数据的值。
pthread_mutex_init	`int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t mutex, const pthread_mutexattr_t attr);`	初始化互斥量。
pthread_mutex_destroy	`int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);`	销毁互斥量。
pthread_mutex_lock	`int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);`	加锁互斥量。
pthread_mutex_trylock	`int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);`	尝试加锁互斥量（非阻塞）。
pthread_mutex_unlock	`int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);`	解锁互斥量。
pthread_cond_init	`int pthread_cond_init(pthread_cond_t cond, const pthread_condattr_t attr);`	初始化条件变量。
pthread_cond_destroy	`int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);`	销毁条件变量。
pthread_cond_wait	`int pthread_cond_wait(pthread_cond_t cond, pthread_mutex_t mutex);`	等待条件变量。
pthread_cond_signal	`int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);`	发信号通知一个等待条件变量的线程。
pthread_cond_broadcast	`int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);`	发信号通知所有等待条件变量的线程。
pthread_attr_init	`int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);`	初始化线程属性对象。
pthread_attr_destroy	`int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);`	销毁线程属性对象。
pthread_attr_setdetachstate	`int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);`	设置线程分离状态属性。
pthread_attr_getdetachstate	`int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t attr, int detachstate);`	获取线程分离状态属性。
pthread_attr_setschedpolicy	`int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);`	设置线程调度策略属性。
pthread_attr_getschedpolicy	`int pthread_attr_getschedpolicy(const pthread_attr_t attr, int policy);`	获取线程调度策略属性。
pthread_attr_setschedparam	`int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t attr, const struct sched_param param);`	设置线程调度参数属性。
pthread_attr_getschedparam	`int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t attr, struct sched_param param);`	获取线程调度参数属性。

多线程

#线程 #Cache

Linux中的线程

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作者

weihehe

发布于

2024年7月25日

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