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Linux——线程（下）

news 2025/7/27 11:10:01

文章目录

一、线程
二、线程操作
- 1. 创建线程
- 2. 获取线程ID
- 3. 线程等待
- 4. 线程终⽌
- 5. 线程分离
三、线程库的理解
- 1. 线程id
- 2. 线程TCB的存放和内容
- - TCB的存储
  - TCB中的内容
- 3. 线程的栈
- 4. 线程局部存储

一、线程

线程共享进程地址空间中的所有数据
全局区，代码区，堆区，共享区，栈区都是共享的
没错栈区也是共享的

只要线程a能拿到线程b函数中的栈区变量的地址，就可以对它进行修改和访问
而且修改之后，线程b看到的也是改变了之后的【但是强烈不建议这么做】

线程会瓜分进程的时间片
即：
一个进程的时间片是10ns
它一共有5个线程，那么每个线程的时间片就是2ns

为什么呢？
操作系统进行调度时，是以线程为单位的
而且承担资源分配的基本实体是进程，进程是资源的容器，线程瓜分进程资源，而时间片也是资源！！！
所以，必须给每个线程分时间片，这样操作系统调度线程时，才知道线程什么时候时间片耗尽

而且：
如果线程的时间片和它所属的进程一样长，那么一个进程就可以通过创建更多线程，来延长自己占用CPU的时间,这显然对其他进程不公平

这和分时操作系统的公平调度理念不符

二、线程操作

下面关于线程操作全是库函数

为什么Linux线程相关的函数是库函数，而不是系统调用？

因为在Linux中没有给线程先描述再组织
Linux内核中的线程是使用LWP模拟实现的

所以Linux内核就只给我们提供了创建LWP的系统调用接口（即系统调用clone）操作线程的各种系统调用通通没有

用户不愿意直接去使用创建LWP的系统调用，因为使用这个系统调用还得去了解Linux的LWP等相关知识，成本太高了

所以Linux就让库封装了LWP相关的系统调用得到了给用户提供了包括线程的各种操作的的库[库的名字就叫pthread]
封装成库之后，用户就只需要知道线程的相关概念就可以轻松使用库函数了

所以
Linux中，如果使用了线程相关的函数，那么编译时都要链接pthread动态库，pthread是Linux实现的自带的库，是原生线程库

所以：
其他任何语言想要在Linux平台上支持线程，就必须封装Linux的pthread库

1. 创建线程

pthread_create

作用：创建一个线程

#include <pthread.h>int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);

参数thead：输出型参数，需要传入一个pthread_t类型的变量的地址，可以得到线程的tid。
参数attr：这个参数跟属性相关的设定，几乎用不到，这里也就不再进，设为nullptr就行。
参数start_routine：传入一个返回类型为void*，参数为void*的自定义函数，线程创建后会执行这个函数。
参数arg：传入一个void*类型的参数，最后会被作为start_routine的参数。
返回值：
非0：创建失败。
0：创建成功

为什么是void * 类型？
就是为了支持接收任意类型的参数，变量，数组，对象都可以传递过去
这样就可以一次传递多个信息，也可以更好地支持C和C++混合编写
我们可以定义一个任务类，里面存储一些基本信息和分配给这个新线程的任务函数
即设计一个任务类，里面的成员变量就是任务函数，以及任务函数对应的参数

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>using namespace std;void* Route(void* args)
{char* k = (char*)args;cout << k;while(true){sleep(1);}return nullptr;
}int main()
{pthread_t p;char buf[] = "hello mihayou\n";int n = pthread_create(&p, nullptr, Route, buf);if(n != 0)exit(1);while(true){cout << "12345678\n";sleep(1);}return 0;
}

2. 获取线程ID

pthread_self

作用：获取线程的ID

#include <pthread.h>pthread_t pthread_self(void);

在这里插入图片描述

打印出来的tid是通过pthread库中有函数 pthread_self 得到的，它返回⼀个pthread_t类型的变量，指代的是调⽤pthread_self函数的线程的“ID”。
怎么理解这个“ID”呢？这个“ID”是pthread库给每个线程定义的进程内唯⼀标识，是pthread库
维持的。

由于每个进程有⾃⼰独⽴的内存空间，故此“ID”的作⽤域是进程级⽽⾮系统级（内核不认识）。
其实pthread库也是通过内核提供的系统调⽤（例如clone）来创建线程的，⽽内核会为每个线程创建
系统全局唯⼀的“ID”来唯⼀标识这个线程。

使⽤ps -aL命令查看线程信息
运⾏代码后：

在这里插入图片描述
LWP是什么呢？
LWP得到的是真正的线程ID。
之前使⽤ pthread_self 得到的这个数实际上是⼀个地址，在虚拟地址空间上的⼀个地址，通过这个地址，可以找到关于这个线程的基本信息，包括线程ID，线程栈，寄存器等属性。

在 ps -aL 得到的线程ID，有⼀个线程ID和进程ID相同，这个线程就是主线程，主线程的栈在虚拟
地址空间的栈上，⽽其他线程的栈在是在共享区（堆栈之间），因为pthread系列函数都是pthread库
提供给我们的。⽽pthread库是在共享区的。所以除了主线程之外的其他线程的栈都在共享区。

3. 线程等待

从线程需要被主线程等待和回收（使用pthread_join）

线程的退出信息，在线程库中它自己的TCB中维护着，而TCB关联内核的LWP的生命周期
主线程也要知道其他线程把任务执行地怎么样所以如果不等待，即使线程退出了，操作系统也不敢释放它的LWP，就会出现与进程类似的僵尸问题

pthread_join
作用: 等待线程结束

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

参数thread：传入需要等待的线程tid。
参数retval：输出型参数，传入void类型的地址，得到线程的任务完成情况，这个retval得到的也就是在我们传入自定义函数中返回的void类型。因为分配给新线程的函数的返回值为void*类型的，所以以输出型参数的方式获取这个返回值就得是void**类型的。
返回值
非0：失败。
0：成功。

注意： pthread_join是阻塞等待的从线程的
一般是主线程等待从线程

4. 线程终⽌

如果需要只终⽌某个线程⽽不终⽌整个进程,可以有三种⽅法:

从线程函数return。这种⽅法对主线程不适⽤,从main函数return相当于调⽤exit。
线程可以调⽤pthread_exit终⽌⾃⼰。
⼀个线程可以调⽤pthread_cancel终⽌同⼀进程中的另⼀个线程。

pthread_exit

作用: 线程终⽌

 #include <pthread.h>void pthread_exit(void *retval);

void*retval：线程的退出信息

需要注意,pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是⽤malloc分配的,
不能在线程函数的栈上分配,因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

pthread_cancel

作用：取消⼀个执⾏中的线程

#include <pthread.h>int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数thread：传入需要取消的线程tid。
返回值：int
成功，0
失败，就返回错误码

注意：

一个线程能被取消的前提是，这个线程已经启动了
被取消的线程也必须被回收（不然会内存泄露），而且退出码必定是-1

5. 线程分离

默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进⾏pthread_join操作，否则⽆法释放资源，从⽽造成系统泄漏。

如果不关⼼线程的返回值，join是⼀种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，⾃动释放线程资源。

pthread_detach

作用: 把指定线程的被等待状态设置成detach

int pthread_detach(pthread_t thread);

参数pthread_t thread：参入需要分离的线程tid。
返回值
成功：返回 0。
失败：返回错误码

三、线程库的理解

1. 线程id

我们使用的pthread库里面的接口的时候，使用的是线程id来操纵线程

但是线程id并不是Linux内核中的LWP，而是线程库pthread自己维护的

线程id的本质是地址，是线程库维护的这个线程对应的结构体（tcb）变量的起始地址

创建线程的时候，不仅Linux内核中会创建一个LWP描述线程的内核级属性，线程库pthread中也会创建一个TCB结构体变量来维护线程的用户级属性

即线程库中，会对线程进行先描述，再组织

为什么？

LWP是描述轻量级进程的，但是用户使用的是线程，所以用户需要的是线程的属性，而不是轻量级进程的属性
即LWP并不能非常好地描述用户所需的线程的属性（比如：LWP中没有维护这个线程的栈大小，而线程库TCB中维护了）
为了解藕
因为用户使用的是线程库，线程库创建出来的线程是用户级线程
用户级线程不宜和内核级线程共用结构体和数据结构，这样耦合度太高，而且还要使用系统调用陷入内核

线程库哪里来的空间对线程先描述再组织？
线程库维护进程的线程使用的空间是进程自己申请的物理内存（即使用进程的共享区内存来存储）

因为这样描述线程属性的结构体变量才有虚拟地址，执行流执行线程的库函数的时候，才能找到并访问到对应的数据

所以就可以做到：
不同的进程，使用同一个线程库，但线程库中维护的线程是不一样的
但是线程库的代码区的代码是一样的