Linux线程初识

ciaocc
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一.什么是线程

按照普遍的教科书上说的--线程是进程内部的一个执行流，是进程的一部分，比起进程它更加轻量化。通俗地说，在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）。更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序列”

既然这样，那进程里是不是能有很多个线程？是这样的，同时 一切进程至少都有一个执行线程 。

（改）线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行。在Linux系统中，在CPU眼中，看到的PCB都要比传统的进程更加轻量化 透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程 执行流

二.如何描述线程

我们知道学习Linux中，一切的数据都需要管理，面对这么多的线程，操作系统肯定也要把这么多的线程管理起来，参考之前学习进程的经验--先描述再组织，对于线程也是如此。

那么如何描述线程？和进程类似，用一个PCB结构体描述。

在windows操作系统中是这样的，但是在Linux中采用了更巧妙的方法。

讲解进程的时候我们说过，进程 = 代码 + PCB + mm_struct + 页表 + mmu + 物理地址，如下：

Linux在创造线程时，并没有为线程再去单独设计结构，而是复用了进程的task_struck，具体如下：

由上图可以看到，Linux没有为线程单独设计PCB，而是复用进程的PCB，线程之间使用一个进程地址空间。对于CPU而言，此时的PCB是略小于真正的PCB的，但是CPU不管，它只需要执行就好了，这也是Linux这样设计的优点--即操作系统不需要额外设计数据结构管理线程，可以专注于线程间的资源调度。

以往我们学习是默认进程只有一个执行流，今天我们知道了进程是可以有多个执行流的。为什么要这么做呢？

因为进程在创建时需要消耗大量资源，资源包括两部分--时间和空间。

  • 时间：cpu处理和创建PCB进程地址空间并等待资源的时间。

  • 空间：创建的PCB和申请的进程地址空间。

三.初认识线程接口

说了这么多，我们先来使用下线程。

由于在Linux中线程是用进程模拟实现的，所以它不会为我们提供线程操作的接口，而是给给我们提供了一个在同一个进程地址空间中创建PCB的方法分配给资源指定的PCB。

对于我们来说，使用这样的方法创建线程代价太麻烦了，所以我们需要一个线程库，而一些应用开发工程师在应用层上对Linux接口封装成为了我们经常使用的原生线程库，接下来我们主要使用这个库来学习线程的各种函数。

1.线程创建

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

参数说明：

  • 返回值：线程创建成功返回0，失败返回错误码。
  • thread: 输出型参数，获取创建成功的线程ID。
  • attr: 用于设置线程的属性，传入NULL表示默认
  • start_routine: 函数地址，传入我们想要这个线程执行的函数
  • arg: 传给线程启动函数的参数，需要强转为void*。

代码如下：

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

void* run_thread(void* arg)	//需要线程指向的函数
{
    char* msg = (char*)arg;
    while(1)
    {
        printf("I am the thread one\n");
        sleep(1);
    }

}
int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, run_thread, NULL);
    //if(n != 0)  printf("pthread create fail\n");

    while(1)
    {
        printf("I am main thread\n");
        sleep(1);
    }

    
    return 0;
}

image-20231110153629664

我们发现想要编译程序时报错了，注意在执行线程有关的函数时，在编译时需要执行pthread库，修改后就可以执行成功了。

test : test.c
	gcc -o $@ $^ -std=c11 -pthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -f test

image-20231110154041883

Linux中可以用以下指令查看轻量级进程：

ps -aL

image-20231110154158108

由上图可以看到，三个线程的PID是一样的，表明属于同一个进程，而它们的LWP不一样，说明对于操作系统来说，是通过LWP来分辨线程。

那之前学习进程时说的操作系统通过PID查看进程，错了吗？也没错，因为当时是在单执行流的情况下。

2.线程终止

既然能创建线程，那么肯定也能终止线程。如果只需要终止某个线程而不终止整个进程，有三个方法：

  • 从线程函数中return，这种方法对主线程不适用，从main函数中return相当于调用exit。

  • 线程可以通过pthread_exit终止自己。

  • 一个线程可以调用pthread_cancel终止同一个进程中的另一个线程。

1)pthread_exit
void pthread_exit(void *value_ptr);

参数说明：

  • 返回值：返回值为空，与进程同理，线程结束的时候无法返回到调用者，即自己本身（通俗地说，一旦线程调用pthread_exit退出自己，它就不存在了，也就无法返回）。
  • value_ptr： 用来传递存储了线程退出信息的退出值，可以设置为NULL。

3.线程等待

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

4.线程分离

int pthread_detach(pthread_t thread);

5.线程取消

#include <pthread.h>
/**
* 杀死(取消)线程.
* @param thread ⽬标线程ID.
* @return 成功: 0; 失败: 出错编号.
* 注意: 线程的取消并不是实时的，⽽⼜⼀定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)
*/
int pthread_cancel(pthread_t thread);
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