柚子快報(bào)激活碼778899分享：算法 【Linux】線(xiàn)程

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目錄

線(xiàn)程概念

線(xiàn)程控制

在說(shuō)線(xiàn)程之前，我們需要鋪墊一些背景知識(shí)：

1.重談地址空間

實(shí)際上，物理內(nèi)存不是一整塊，而是被劃分為一份份4KB空間，OS進(jìn)行內(nèi)存管理，不是以字節(jié)為單位，而是以?xún)?nèi)存塊為單位的，默認(rèn)大小是4KB，4KB是主流Linux操作系統(tǒng)用的大小。實(shí)際上，我們之前學(xué)過(guò)，系統(tǒng)和磁盤(pán)文件進(jìn)行IO的基本單位是4KB，也就是8個(gè)扇區(qū)，所有計(jì)算機(jī)中的巧合都是被精心設(shè)計(jì)過(guò)的。在程序被編譯完成后，是有地址的，并且以數(shù)據(jù)塊4KB的大小存好了。所謂程序加載，就是把磁盤(pán)上4KB的數(shù)據(jù)塊加載到4KB的內(nèi)存塊上。我們把4KB的內(nèi)存塊叫做頁(yè)框，4KB的數(shù)據(jù)塊叫做頁(yè)幀，?OS對(duì)內(nèi)存的管理工作，基本單位是4KB！

之前父子進(jìn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)會(huì)發(fā)生寫(xiě)時(shí)拷貝，而寫(xiě)時(shí)拷貝的基本單位也是4KB，為什么修改很少的數(shù)據(jù)也要拷貝4KB呢？因?yàn)槿绻@個(gè)數(shù)據(jù)被修改，那其周?chē)臄?shù)據(jù)大概率也要被修改，每次都寫(xiě)時(shí)拷貝對(duì)OS是一種負(fù)擔(dān)，這其實(shí)是用空間來(lái)?yè)Q時(shí)間。

在4GB內(nèi)存空間中，一共有100多萬(wàn)個(gè)頁(yè)框，OS要將這些頁(yè)框管理起來(lái)，先描述、再組織，用struct page管理頁(yè)框，用一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組管理起來(lái)，struct page memory[1048576]，用數(shù)組管理起來(lái)，這樣每一個(gè)page都有了一個(gè)下標(biāo)，第一個(gè)page的起始地址是0，下一個(gè)page的起始地址就是1*4KB，以此類(lèi)推，就可以將每一個(gè)page下標(biāo)轉(zhuǎn)換為每一個(gè)內(nèi)存頁(yè)框的起始地址。這樣，對(duì)內(nèi)存的管理就變?yōu)閷?duì)數(shù)組的增刪查改。

另外，我們之前在談頁(yè)表時(shí)，并沒(méi)有具體說(shuō)，如果是4GB的地址空間，在頁(yè)表中一一將虛擬地址和物理地址對(duì)應(yīng)，每組對(duì)應(yīng)關(guān)系再加上一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位（按1個(gè)字節(jié)），那就是一組虛擬地址和物理地址對(duì)應(yīng)關(guān)系要占用9個(gè)字節(jié)，那就是36GB，這也太大了吧，所以，實(shí)際上肯定不能這樣映射。那真實(shí)的頁(yè)表是什么樣子的？虛擬地址是如何轉(zhuǎn)換為物理地址的呢？

其實(shí)，虛擬地址在OS看來(lái)不是一個(gè)整體，而是將32位拆為10位（2^10=1024）、10位（2^10=1024）、12位（2^12=4096）。首先，將虛擬地址的前10位作為索引（第一張表），所以第一張表一共1024項(xiàng)，這張表稱(chēng)為頁(yè)目錄，（頁(yè)目錄最多占4字節(jié)*1024=4KB）頁(yè)目錄中的每一項(xiàng)中存放的內(nèi)容是第二張表（頁(yè)表）的地址，所以頁(yè)目錄可以指向很多張的頁(yè)表，每一張頁(yè)表也是有1024項(xiàng)，根據(jù)第二個(gè)10位索引頁(yè)表中的某一項(xiàng)，而頁(yè)表中某一項(xiàng)存放的內(nèi)容是指向頁(yè)框的起始地址，然后再拿上虛擬地址的低12位(范圍是[0,4095])作為頁(yè)內(nèi)偏移，是任一個(gè)字節(jié)的偏移量?？偨Y(jié)來(lái)看，先拿著虛擬地址的前10位作為頁(yè)目錄的下標(biāo)去索引，通過(guò)頁(yè)目錄這一項(xiàng)的內(nèi)容找到所指向的頁(yè)表，然后通過(guò)虛擬地址的第二個(gè)10位作為下標(biāo)去索引頁(yè)表的某一項(xiàng)，這個(gè)頁(yè)表的某一項(xiàng)存放的是指向的頁(yè)框的起始地址，最后根據(jù)虛擬地址的后12位作為某一個(gè)頁(yè)框內(nèi)的偏移量，就可以找到任一個(gè)字節(jié)，也就是說(shuō)，任意一個(gè)虛擬地址&(0xFFF)==頁(yè)框號(hào)。實(shí)際上，虛擬地址的前20位加起來(lái)的作用是搜索頁(yè)框，在加上虛擬地址的低12位頁(yè)內(nèi)偏移，就能索引到頁(yè)框里的任意一個(gè)字節(jié)。這種分配方案我們稱(chēng)為二級(jí)頁(yè)表。

我們來(lái)算一筆賬，頁(yè)表里每項(xiàng)2個(gè)字節(jié)，一個(gè)頁(yè)表就是2KB，一共有1024張頁(yè)表，所以所有頁(yè)表加起來(lái)一共是2MB，加上一級(jí)頁(yè)目錄4KB。

但是現(xiàn)在有些尷尬，我們只能上述方式找到一個(gè)字節(jié)的地址，所以C/C++里對(duì)每個(gè)變量都設(shè)置了類(lèi)型，這樣就能拿到我們想要的任何數(shù)據(jù)。

CPU讀取的是虛擬地址，在CPU中要將虛擬地址根據(jù)頁(yè)表轉(zhuǎn)換為物理地址，那CPU如何找到頁(yè)表呢？實(shí)際上，在CPU中存在cr3，每一個(gè)進(jìn)程會(huì)把自己對(duì)應(yīng)的頁(yè)表中頁(yè)目錄的起始地址放在寄存器當(dāng)中，這樣，虛擬地址被讀到CPU，找到頁(yè)表后，通過(guò)CPU中的MMU電路直接找到虛擬地址，

在地址空間中，正文代碼限定了一批虛擬地址空間的范圍，并且依靠頁(yè)表才能看到對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理空間?，F(xiàn)在假設(shè)正文代碼由20個(gè)函數(shù)組成，給 每一個(gè)函數(shù)分配一個(gè)執(zhí)行流，那代碼由并行轉(zhuǎn)為串行，這在技術(shù)上是可行的。我們知道，函數(shù)地址其實(shí)是一批代碼的入口地址，函數(shù)的每行代碼都有地址，而且同一個(gè)函數(shù)我們認(rèn)為地址是連續(xù)的，所以函數(shù)是連續(xù)的代碼地址構(gòu)成的代碼塊，這意味著一個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)一批連續(xù)的虛擬地址！將這20個(gè)函數(shù)劃分，本質(zhì)上是對(duì)頁(yè)表進(jìn)行劃分，虛擬地址的本質(zhì)是一種資源?。。?/p>

線(xiàn)程概念

先來(lái)說(shuō)一下官方的概念，線(xiàn)程，是在進(jìn)程內(nèi)部運(yùn)行，是CPU調(diào)度的基本單位。之前我們學(xué)過(guò)，進(jìn)程之間的代碼數(shù)據(jù)和內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間都是相互獨(dú)立的，那如果創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)不再創(chuàng)建地址空間和頁(yè)表，而是只創(chuàng)建一個(gè)新的task_struct，假如正文代碼分成4份，第1份代碼由第1個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行，第二份代碼由第2個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行，然后接著創(chuàng)建第3、4個(gè)進(jìn)程，上面我們描述的就是Linux中的線(xiàn)程，這就是定義的第一句“線(xiàn)程在進(jìn)程內(nèi)部運(yùn)行”。之間我們對(duì)進(jìn)程的定義是進(jìn)程=內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+進(jìn)程代碼和數(shù)據(jù)，現(xiàn)在我們站在內(nèi)核的角度，給進(jìn)程定義，進(jìn)程是承擔(dān)分配系統(tǒng)資源的基本實(shí)體！

說(shuō)到這里，可能還不不是很理解，下面就先講一個(gè)故事：

在我們偉大的國(guó)家，分配資源的基本實(shí)體是家庭，OS就是國(guó)家，家庭就是OS的一個(gè)個(gè)進(jìn)程，在我們家庭里，會(huì)有爸爸媽媽爺爺奶奶，我們此時(shí)可能在學(xué)校上課，我們執(zhí)行上課的代碼，爸爸媽媽在上班，他們執(zhí)行上班的代碼，爺爺奶奶在遛彎，他們執(zhí)行養(yǎng)老的代碼，我們家庭的每一個(gè)人都在做著自己的事情，我們每一個(gè)人把自己的工作做好，這樣就達(dá)到一個(gè)神奇的效果，就能把這個(gè)家的日子過(guò)好。每一個(gè)家庭的任務(wù)就是把日子過(guò)好，家庭中的每一個(gè)人就是一個(gè)線(xiàn)程。

對(duì)比一下我們之前學(xué)的進(jìn)程，實(shí)際上，我們之前學(xué)的進(jìn)程內(nèi)部只有一個(gè)執(zhí)行流，而現(xiàn)在的進(jìn)程中有多個(gè)執(zhí)行流，所以只有一個(gè)執(zhí)行流的進(jìn)程是有多個(gè)執(zhí)行流的進(jìn)程的特殊情況。

假設(shè)我們現(xiàn)在OS要單獨(dú)設(shè)計(jì)線(xiàn)程，就要設(shè)計(jì)新建、暫停、銷(xiāo)毀、調(diào)度，那線(xiàn)程要不要和進(jìn)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，這里所說(shuō)的幾點(diǎn)就是要管理線(xiàn)程，先描述再組織，struct tcp，tcb結(jié)構(gòu)體里面的成員就要有線(xiàn)程的id，優(yōu)先級(jí)，狀態(tài)，上下文，鏈接屬性，而描述進(jìn)程的結(jié)構(gòu)體是struct pcb，每個(gè)進(jìn)程有多個(gè)線(xiàn)程，

上圖這種設(shè)計(jì)方案其實(shí)是windows中真實(shí)存在的線(xiàn)程控制塊，CPU在調(diào)度時(shí)先選擇一個(gè)進(jìn)程，再選擇其中一個(gè)線(xiàn)程。然而，在設(shè)計(jì)Linux時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)線(xiàn)程時(shí)，線(xiàn)程的各種屬性（id，優(yōu)先級(jí)，狀態(tài)，上下文，鏈接屬性等）進(jìn)程也都有，那為什么還要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)tcb來(lái)表示線(xiàn)程呢？此外，如果進(jìn)程和線(xiàn)程設(shè)計(jì)成兩套，那調(diào)度算法是不是也要設(shè)計(jì)成兩套？所以，Linux的設(shè)計(jì)者就想能不能復(fù)用pcb，用pcb統(tǒng)一表示執(zhí)行流，這樣的話(huà)，我們就不需要為線(xiàn)程單獨(dú)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和調(diào)度算法了，這就是Linux的方案，用進(jìn)程模擬的線(xiàn)程！?。★@然Linux的方案更優(yōu)秀。

站在CPU的角度，在Linux中，它所調(diào)度的task_struct<=進(jìn)程，CPU用不用區(qū)分task_struct是進(jìn)程還是線(xiàn)程？不用區(qū)分！因?yàn)樵贑PU看起來(lái)都是執(zhí)行流，所以CPU看到的執(zhí)行流<=進(jìn)程，所以L(fǎng)inux中的執(zhí)行流叫做輕量級(jí)進(jìn)程！

話(huà)不多說(shuō)，我們先來(lái)用代碼來(lái)見(jiàn)一見(jiàn)線(xiàn)程：

在Linux中，使用pthread_create函數(shù)來(lái)創(chuàng)建新的線(xiàn)程，

第一個(gè)參數(shù)thread是一個(gè)線(xiàn)程id，是輸出型參數(shù)。第二個(gè)參數(shù)attr是屬性，一般設(shè)為null，第三個(gè)參數(shù)start_routine是一個(gè)參數(shù)為void*、返回值為void *的函數(shù)指針，一旦線(xiàn)程創(chuàng)建成功，主線(xiàn)程繼續(xù)向下執(zhí)行，新線(xiàn)程執(zhí)行這個(gè)函數(shù)指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的方法。第四個(gè)參數(shù)args是參數(shù)。

?如果線(xiàn)程創(chuàng)建成功返回0，失敗返回錯(cuò)誤碼。

//新線(xiàn)程

void* threadStart(void* args)

{

while(1)

{

std::cout << "new thread running..." << " ,pid: " << getpid() << std::endl;

sleep(1);

}

}

int main()

{

pthread_t tid;

pthread_create(&tid, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new");

//主線(xiàn)程

while(1)

{

sleep(1);

std::cout << "main thread running..." << " ,pid: " << getpid() << std::endl;

}

return 0;

}

運(yùn)行以上程序，我們發(fā)現(xiàn)雖然只有一個(gè)進(jìn)程，但是兩個(gè)執(zhí)行流可以一起執(zhí)行，原因就是他們是屬于同一個(gè)進(jìn)程的線(xiàn)程。?

其實(shí)，我們可以使用ps -aL查看線(xiàn)程，

我們看到這兩個(gè)線(xiàn)程的pid是一樣的，他倆還有LWP(Light Weight Process，輕量級(jí)進(jìn)程)，這就是線(xiàn)程的id。另外，我們發(fā)現(xiàn)，其中有一個(gè)的LWP和pid一樣，所以，OS調(diào)度的時(shí)候，看的是pid還是LWP？肯定是LWP。pid和LWP相同的是主線(xiàn)程，不同的是新線(xiàn)程。

現(xiàn)在我們還是有兩個(gè)問(wèn)題：

1.已經(jīng)有多進(jìn)程了，為什么還要有多線(xiàn)程呢？

創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，既要?jiǎng)?chuàng)建pcb，開(kāi)辟地址空間，又要?jiǎng)?chuàng)建頁(yè)表，還要加載代碼和數(shù)據(jù)，因此創(chuàng)建進(jìn)程成本非常高！而創(chuàng)建線(xiàn)程只需要1.創(chuàng)建一個(gè)pcb 2.把進(jìn)程已有的資源給你，因此，創(chuàng)建線(xiàn)程成本非常低（啟動(dòng)）。此外，在運(yùn)行期間，如果切換進(jìn)程，需要保存上下文，切換進(jìn)程頁(yè)表、地址空間，但是在切換線(xiàn)程時(shí)，上下文要保護(hù)起來(lái)，但是地址空間、頁(yè)表就不用切換了，因此運(yùn)行期間，線(xiàn)程調(diào)度成本低（運(yùn)行）。另外，當(dāng)刪除一個(gè)進(jìn)程時(shí)，要釋放pcb、地址空間、代碼和數(shù)據(jù)等，而刪除線(xiàn)程只需要釋放pcb，因此，刪除一個(gè)線(xiàn)程更簡(jiǎn)單（死亡）！

以上只是說(shuō)的線(xiàn)程的優(yōu)點(diǎn)，但是它也是存在缺點(diǎn)的。在多線(xiàn)程中，他們共享地址空間、頁(yè)表、代碼和數(shù)據(jù)，如果其中一個(gè)線(xiàn)程出現(xiàn)野指針報(bào)錯(cuò)，就是這個(gè)進(jìn)程出異常了，那這個(gè)進(jìn)程就被干掉了，一個(gè)線(xiàn)程崩潰會(huì)導(dǎo)致其他線(xiàn)程崩潰。所以，如果代碼如果沒(méi)寫(xiě)好，其健壯性會(huì)比較差。而多進(jìn)程沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。進(jìn)程和線(xiàn)程同時(shí)存在時(shí)因?yàn)樗鼈兌加胁豢扇〈浴?/p>

2.不同系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)程和線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)不一樣？為什么OS課本只有1本？

我們來(lái)回顧一下線(xiàn)程的定義，線(xiàn)程，是在進(jìn)程內(nèi)部運(yùn)行，是CPU調(diào)度的基本單位，雖然不同OS對(duì)這句話(huà)的實(shí)現(xiàn)不一樣，但是它們都遵守了線(xiàn)程的定義，所以說(shuō)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)界的哲學(xué)。

下面我們?cè)賮?lái)說(shuō)一道常見(jiàn)的面試題，為什么線(xiàn)程的調(diào)度成本更低？

CPU為了加速訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的效率，CPU中會(huì)存在cache（硬件上），當(dāng)CPU在訪(fǎng)問(wèn)某一行代碼時(shí)，會(huì)把這一行附近的相關(guān)代碼和熱點(diǎn)數(shù)據(jù)全部預(yù)先加載到CPU的cache中，這一部分稱(chēng)為進(jìn)程的熱數(shù)據(jù)，所以CPU在訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，先去cache中去找，找到了就直接從cache中拿數(shù)據(jù)，沒(méi)找到才會(huì)去內(nèi)存中拿數(shù)據(jù)，然后將這個(gè)數(shù)據(jù)置換到cache中，我們通過(guò)lscpu指令可以查看CPU中的緩存，

?

這就意味著，如果切換進(jìn)程，除了切換pcb、地址空間、頁(yè)表，對(duì)于cache中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，切換后的進(jìn)程用不上，此前保存的數(shù)據(jù)全部作廢，切換進(jìn)程后，catch里的數(shù)據(jù)要重新寫(xiě)入，這個(gè)過(guò)程就比較慢了。而切換線(xiàn)程時(shí)，cache之前保存的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)可能會(huì)用到，不要丟棄所以也就不需要重新加載熱數(shù)據(jù)，所以線(xiàn)程切換效率高。

所以，一個(gè)線(xiàn)程去執(zhí)行一個(gè)函數(shù)的本質(zhì)，就是這個(gè)線(xiàn)程擁有了正文代碼的一小塊，就是拿到了一小部分虛擬地址空間范圍，也就是只使用頁(yè)表的一部分，每個(gè)線(xiàn)程各自使用一小部分虛擬地址，所以虛擬地址本質(zhì)上就是一種資源。比如一個(gè)線(xiàn)程拿了20行代碼，另一個(gè)拿了30行代碼，不就是也把頁(yè)表拿了一部分嗎。

如果是計(jì)算密集型應(yīng)用，并不是創(chuàng)建的線(xiàn)程越多越好，而是謹(jǐn)慎創(chuàng)建合適的數(shù)量，一般是和CPU的核數(shù)一樣。如果是IO密集型應(yīng)用，可以允許多創(chuàng)建一些線(xiàn)程。

線(xiàn)程也有很多缺點(diǎn)：

1.健壯性降低。一個(gè)線(xiàn)程出問(wèn)題，那這個(gè)進(jìn)程直接終止，所以其他線(xiàn)程就終止了。

2.缺乏訪(fǎng)問(wèn)控制。由于大部分地址空間上的內(nèi)容都是共享的，每個(gè)線(xiàn)程都能看到，一個(gè)線(xiàn)程可能把另一個(gè)線(xiàn)程的數(shù)據(jù)修改。

Linux中進(jìn)程和線(xiàn)程對(duì)比

1.進(jìn)程是資源分配的基本單位

2.進(jìn)程是資源分配的基本單位

3.線(xiàn)程共享進(jìn)程數(shù)據(jù)，但也擁有自己的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，如線(xiàn)程ID、一組寄存器、棧、errno、信號(hào)屏蔽字、調(diào)度優(yōu)先級(jí)等。

其中，線(xiàn)程私有的部分中，一組寄存器和棧是最重要的，一組寄存器中存放的是硬件上下文數(shù)據(jù)，這反應(yīng)了線(xiàn)程可以動(dòng)態(tài)運(yùn)行；棧，線(xiàn)程在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)形成各種臨時(shí)變量，臨時(shí)變量會(huì)被每個(gè)線(xiàn)程保存在自己的棧區(qū)。

進(jìn)程的多個(gè)線(xiàn)程共享同一地址空間，因此代碼段、數(shù)據(jù)段都是共享的，如果定義一個(gè)函數(shù)，在各線(xiàn)程中都可以調(diào)用，如果定義一個(gè)全局變量，在各線(xiàn)程中都可以訪(fǎng)問(wèn)到，除此之外，各線(xiàn)程還共享以下進(jìn)程資源和環(huán)境：

線(xiàn)程控制

在我們編譯源文件時(shí)，多加了pthread這個(gè)庫(kù)，為什么會(huì)這樣呢？

其實(shí)在Linux中，不存在線(xiàn)程，而只有輕量級(jí)進(jìn)程，而作為OS學(xué)習(xí)者，只學(xué)過(guò)創(chuàng)建進(jìn)程、終止進(jìn)程、調(diào)度進(jìn)程、等待進(jìn)程，但是Linux系統(tǒng)只會(huì)給上層用戶(hù)提供創(chuàng)建輕量級(jí)進(jìn)程的接口，所以就需要存在中間軟件層--pthread庫(kù)，是Linux系統(tǒng)自帶的，原生線(xiàn)程庫(kù)，對(duì)輕量級(jí)進(jìn)程接口進(jìn)行封裝，按照線(xiàn)程的接口方式，交給用戶(hù)，這樣就保持了Linux系統(tǒng)的純粹性。

線(xiàn)程創(chuàng)建、線(xiàn)程等待、線(xiàn)程終止

在線(xiàn)程創(chuàng)建時(shí)，需要包含pthread.h，并且在編譯時(shí)要加上-pthread庫(kù)。在新線(xiàn)程創(chuàng)建完成后，主線(xiàn)程會(huì)繼續(xù)向后執(zhí)行，新線(xiàn)程轉(zhuǎn)而會(huì)去執(zhí)行void* threadrun(void* args)對(duì)應(yīng)的代碼，所以執(zhí)行流就一分為二，實(shí)際上是并行運(yùn)行，pthread_create的第四個(gè)參數(shù)args傳給threadrun做參數(shù)傳入。

同樣的，在創(chuàng)建好線(xiàn)程之后，還需要對(duì)線(xiàn)程進(jìn)行等待，使用pthread_join，

一般是由主線(xiàn)程等待新線(xiàn)程，其第一個(gè)參數(shù)thread就是pthread_create的第一個(gè)參數(shù)的返回值，第二個(gè)參數(shù)一般設(shè)為nullptr，這個(gè)參數(shù)實(shí)際上是為了得到threadrun的返回值。這個(gè)函數(shù)返回值的含義和pthread_create一樣。

寫(xiě)了上面這段代碼，我們問(wèn)題1來(lái)了，main和new線(xiàn)程誰(shuí)先運(yùn)行呢？實(shí)際上是不確定的！問(wèn)題2：我們期望誰(shuí)最后退出？我們期望主進(jìn)程最后退出，因?yàn)楦高M(jìn)程要回收子進(jìn)程的退出信息！那如何來(lái)保證main最后退出呢？就是通過(guò)pthread_join保證，new線(xiàn)程不退，main就阻塞式等待new線(xiàn)程退出。如果main不join，那主線(xiàn)程運(yùn)行完退出，進(jìn)程就退出，所有其他線(xiàn)程也就退出了，所以強(qiáng)烈不推薦這種做法，因?yàn)橹骶€(xiàn)程退出了，new線(xiàn)程還沒(méi)把任務(wù)執(zhí)行完。那如果主線(xiàn)程不退出，也不join，此時(shí)就會(huì)造成類(lèi)似于僵尸進(jìn)程的問(wèn)題，new線(xiàn)程退出時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的資源也就會(huì)被維護(hù)起來(lái)，維護(hù)起來(lái)就是等mian線(xiàn)程去拿new線(xiàn)程的返回值，如果mian一直不拿，就會(huì)造成類(lèi)似僵尸進(jìn)程。

void* threadRun(void* args)

{

int cnt = 10;

while(cnt)

{

std::cout << "new thread run ...,cnt : " << cnt-- << std::endl;

sleep(1);

}

}

int main()

{

pthread_t tid;//unsigned long int

//問(wèn)題1.main和new線(xiàn)程誰(shuí)先運(yùn)行呢？不確定

int n = pthread_create(&tid,nullptr,threadRun,(void*)"thread-1");

if(n != 0)

{

std::cerr << "create thread error" << std::endl;

return 1;

}

std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;

//2.我們期望誰(shuí)最后退出？main thread ，如何保證？

n = pthread_join(tid,nullptr);//join來(lái)保證

if(n == 0)

{

std::cout << "main thread wait success" << std::endl;

}

return 0;

}

問(wèn)題3：創(chuàng)建了進(jìn)程就有了tid，tid是什么樣子？是什么呢？

我們看到，線(xiàn)程的id是紅框里的一大串，那我們之間看到LWP好像并不是這樣，

那線(xiàn)程id是什么呢？其實(shí)是一個(gè)虛擬地址，關(guān)于這點(diǎn)我們下面再談。

問(wèn)題4：全面看待線(xiàn)程函數(shù)傳參

在這里我們傳的是(void*)"thread-1"，這個(gè)(void*)"thread-1"傳給了threadRun的args，運(yùn)行程序，發(fā)現(xiàn)新線(xiàn)程接收到了這個(gè)參數(shù)：

然而，這里要說(shuō)的是，這個(gè)參數(shù)并不是只能傳字符串、整數(shù)等，我們也可以傳遞類(lèi)對(duì)象的地址，

class ThreadData

{

public:

std::string _name;

int _num;

//other

};

void* threadRun(void* args)

{

ThreadData* td = static_cast(args);

int cnt = 10;

while(cnt)

{

std::cout<< td->_name << " run ...,num is " << td->_num << " cnt : " << cnt-- << std::endl;

sleep(1);

}

return nullptr;

}

std::string PrintToHex(pthread_t& tid)

{

char buffer[64];

snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%lx",tid);

return buffer;

}

int main()

{

pthread_t tid;//unsigned long int

//問(wèn)題1.main和new線(xiàn)程誰(shuí)先運(yùn)行呢？不確定

ThreadData td;

td._name = "thread-1";

td._num = 1;

int n = pthread_create(&tid,nullptr,threadRun,(void*)&td);

if(n != 0)

{

std::cerr << "create thread error" << std::endl;

return 1;

}

std::string tid_str = PrintToHex(tid);//按照16進(jìn)制打印出來(lái)

std::cout << "tid : " << tid_str << std::endl;

std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;

//2.我們期望誰(shuí)最后退出？main thread ，如何保證？

n = pthread_join(tid,nullptr);//join來(lái)保證

if(n == 0)

{

std::cout << "main thread wait success" << std::endl;

}

return 0;

}

這樣，我們就可以給線(xiàn)程傳遞多個(gè)參數(shù)，甚至方法了。但是main函數(shù)中的ThreadData td;屬于在棧上開(kāi)辟的空間，所以新線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的是主線(xiàn)程棧上的變量，這種做法不太推薦，一方面，破壞了主線(xiàn)程的完整性和獨(dú)立性，另一方面，如果再來(lái)一個(gè)新線(xiàn)程，這個(gè)新線(xiàn)程通過(guò)傳參還是可以訪(fǎng)問(wèn)到這個(gè)變量，一個(gè)線(xiàn)程把這個(gè)變量改了不就影響另一個(gè)線(xiàn)程了嗎？所以，我們推薦在堆上申請(qǐng)空間，然后把在堆上申請(qǐng)的空間地址拷貝給線(xiàn)程，堆空間一旦被申請(qǐng)出來(lái)，其實(shí)其他線(xiàn)程也能看到，但必須得有地址，把這個(gè)地址交給一個(gè)線(xiàn)程，未來(lái)如果有第二個(gè)線(xiàn)程，就子啊堆上重新new一塊空間交給線(xiàn)程，這樣每個(gè)線(xiàn)程都有一塊堆空間，這樣多線(xiàn)程就不會(huì)互相干擾了。

我們?cè)賮?lái)談這個(gè)函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)retval，這是一個(gè)輸出型參數(shù)，需要傳一個(gè)void*的變量地址，在新線(xiàn)程結(jié)束后，threadrun函數(shù)會(huì)返回一個(gè)void*的返回值，而這個(gè)返回值會(huì)被主線(xiàn)程的pthread_join獲取，未來(lái)要通過(guò)void* ret，把&ret傳給pthread_join，從而接收到threadrun的返回值。

class ThreadData

{

public:

std::string _name;

int _num;

//other

};

void* threadRun(void* args)

{

ThreadData* td = static_cast(args);

int cnt = 10;

while(cnt)

{

std::cout<< td->_name << " run ...,num is " << td->_num << " cnt : " << cnt-- << std::endl;

sleep(1);

}

delete td;

return (void*)0;

}

std::string PrintToHex(pthread_t& tid)

{

char buffer[64];

snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%lx",tid);

return buffer;

}

int main()

{

pthread_t tid;//unsigned long int

//問(wèn)題1.main和new線(xiàn)程誰(shuí)先運(yùn)行呢？不確定

ThreadData* td = new ThreadData();

td->_name = "thread-1";

td->_num = 1;

int n = pthread_create(&tid,nullptr,threadRun,(void*)td);

if(n != 0)

{

std::cerr << "create thread error" << std::endl;

return 1;

}

std::string tid_str = PrintToHex(tid);//按照16進(jìn)制打印出來(lái)

std::cout << "tid : " << tid_str << std::endl;

std::cout << "main thread join begin..." << std::endl;

//2.我們期望誰(shuí)最后退出？main thread ，如何保證？

void* code = nullptr;

n = pthread_join(tid,&code);//join來(lái)保證

if(n == 0)

{

std::cout << "main thread wait success,new thread exit code : " << (uint64_t)code << std::endl;

}

return 0;

}

我們可以看到，主線(xiàn)程接收到了新線(xiàn)程的退出碼。

問(wèn)題5：如何全面看待線(xiàn)程函數(shù)返回

a.只考慮正確的返回，不考慮異常，因?yàn)楫惓Ａ?，整個(gè)進(jìn)程就崩潰了，包括主進(jìn)程。

b.我們可以傳遞任意類(lèi)型，也可以傳遞類(lèi)對(duì)象的地址。

所以，這里我們應(yīng)該能理解，為什么pthread_create的第三個(gè)參數(shù)函數(shù)指針的參數(shù)是void*、返回值是void*，這樣我們就能傳入任意類(lèi)型、返回任意類(lèi)型。

問(wèn)題6：如何創(chuàng)建多線(xiàn)程呢？

我們直接來(lái)看代碼：

std::string PrintToHex(pthread_t& tid)

{

char buffer[64];

snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%lx",tid);

return buffer;

}

const int num = 10;

void* threadrun(void* args)

{

std::string name = static_cast(args);

while(true)

{

std::cout << name << " is running..." << std::endl;

sleep(1);

break;

}

return args;

}

int main()

{

std::vector tids;

for(int i = 0 ; i < num ; i++)

{

//1.有線(xiàn)程的id

pthread_t tid;

//2.有線(xiàn)程的名字

char* name = new char[128];

snprintf(name,128,"thread-%d",i+1);

pthread_create(&tid,nullptr,threadrun,/*線(xiàn)程名字*/name);

//3.保存所有線(xiàn)程的id信息

tids.emplace_back(tid);

}

//join to to

for(auto tid : tids)

{

// std::cout << PrintToHex(tid) << " quit..." << std::endl;

void* name = nullptr;

pthread_join(tid,&name);

std::cout << (const char*)name << " quit..." << std::endl;

delete (const char*)name;

}

return 0;

}

問(wèn)題7：新線(xiàn)程如何終止？

我們知道，main函數(shù)結(jié)束，main thread結(jié)束，表示進(jìn)程結(jié)束，而新線(xiàn)程結(jié)束，只代表自己結(jié)束了。

a.函數(shù)return。不能使用exit終止一個(gè)線(xiàn)程，exit是專(zhuān)門(mén)用來(lái)終止進(jìn)程的，不能用來(lái)終止線(xiàn)程。

b.接口pthread_exit。這個(gè)接口等于線(xiàn)程內(nèi)部的return。

c.main thread調(diào)用接口pthread_cancel。線(xiàn)程能被取消，前提是線(xiàn)程得存在。

一般都是主線(xiàn)程取消新線(xiàn)程。新線(xiàn)程被取消的退出結(jié)果是-1。-1的定義如下：

#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

問(wèn)題8：可不可以不join新線(xiàn)程，讓他執(zhí)行完就退出呢？

可以！

pthread_datach函數(shù)，即線(xiàn)程分離，

a.一個(gè)線(xiàn)程被創(chuàng)建，默認(rèn)是joinable的，必須要被join的。

b.如果一個(gè)線(xiàn)程被分離，線(xiàn)程的工作狀態(tài)是分離狀態(tài)，不需要/不能被join的，依舊屬于進(jìn)程內(nèi)部，但是不需要被等待了。

現(xiàn)在，新線(xiàn)程要主動(dòng)和主線(xiàn)程分離，先來(lái)在認(rèn)識(shí)一個(gè)函數(shù)pthread_self，類(lèi)似與getpid，哪個(gè)線(xiàn)程調(diào)用pthread_self，就返回哪個(gè)線(xiàn)程自己的id。

在threadrun函數(shù)中，讓新線(xiàn)程和main thread分離：?

void* threadrun(void* args)

{

pthread_detach(pthread_self());//和main thread分離

std::string name = static_cast(args);

while(true)

{

std::cout << name << " is running..." << std::endl;

sleep(3);

break;

}

// return args;

pthread_exit(args);//專(zhuān)門(mén)用來(lái)終止一個(gè)線(xiàn)程的

// exit(1);

}

同樣的，main thread也可以主動(dòng)和新線(xiàn)程分離，前提是新線(xiàn)程必須存在：

說(shuō)完Linux下的多線(xiàn)程，我們現(xiàn)在有一個(gè)小插曲，其實(shí)C++11也有多線(xiàn)程，也有其原生線(xiàn)程庫(kù)，我們使用C++11創(chuàng)建線(xiàn)程，

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

void threadrun(int num)

{

while(num)

{

std::cout << "thread-1: " << " num : " << num << std::endl;

num--;

sleep(1);

}

}

int main()

{

std::string name = "thread-1";

std::thread mythread(threadrun,10);

while(true)

{

std::cout << "main thread..." << std::endl;

sleep(1);

}

mythread.join();

return 0;

}

如果我們?cè)贛akefile只用C++11，

這樣編譯時(shí)其實(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)：

所以，C++11中創(chuàng)建多線(xiàn)程編譯時(shí)，也要加-lpthread，

然后，編譯運(yùn)行以上程序，我們看到結(jié)果：

所以，C++11中的多線(xiàn)程本質(zhì)，就是對(duì)原生線(xiàn)程庫(kù)接口的封裝?。。?/p>

實(shí)際上，無(wú)論Linux、Windows還是MacOS，每一款操作系統(tǒng)都有自己對(duì)應(yīng)的創(chuàng)建進(jìn)程方案，但為什么說(shuō)語(yǔ)言具有跨平臺(tái)性呢？因?yàn)闊o(wú)論在什么平臺(tái)下，C++11代碼都是一樣的，在Linux、Windows、MacOS中都提供了C++11的庫(kù)，對(duì)上都提供了一樣的線(xiàn)程接口，所以語(yǔ)言上是同一種創(chuàng)建線(xiàn)程的方式，但是每一種平臺(tái)實(shí)現(xiàn)庫(kù)的方式肯定是不一樣的。所以未來(lái)任何語(yǔ)言，只需要把原生線(xiàn)程庫(kù)的接口學(xué)懂了，上層語(yǔ)言只需要熟悉接口就可以了。文件操作，也是如此！

到現(xiàn)在，我們接著談問(wèn)題3中提到的tid到底是什么？我們寫(xiě)了如下代碼，編譯運(yùn)行，

std::string ToHex(pthread_t tid)

{

char buffer[128];

snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%lx",tid);

return buffer;

}

void* threadrun(void* args)

{

std::string name = static_cast(args);

while(true)

{

std::cout << name << " is running...,tid: " << ToHex(pthread_self()) << std::endl;

sleep(1);

}

}

int main()

{

pthread_t tid;

pthread_create(&tid,nullptr,threadrun,(void*)"thread-1");

std::cout << "new thread running,tid: " << ToHex(tid) << std::endl;

pthread_join(tid,nullptr);

return 0;

}

我們發(fā)現(xiàn)用戶(hù)級(jí)所看到的tid值和其LWP肯定不相等，所以這里我們得出一個(gè)結(jié)論：給用戶(hù)提供的線(xiàn)程ID，不是內(nèi)核中的lwp，而是由pthread庫(kù)自己維護(hù)的一個(gè)唯一值，其實(shí)也好理解，LWP是輕量級(jí)進(jìn)程的ID，不需要呈現(xiàn)給用戶(hù)，庫(kù)內(nèi)部也要承擔(dān)對(duì)線(xiàn)程的管理。

實(shí)際上，tid是一個(gè)地址，要理解tid，我們首先要理解pthread庫(kù)，和動(dòng)態(tài)庫(kù)類(lèi)似，pthread庫(kù)就是存在于磁盤(pán)上的一個(gè)文件，

mythread也是磁盤(pán)上的一個(gè)文件（可執(zhí)行程序），mythread運(yùn)行時(shí)，要首先被加載到內(nèi)存上，在內(nèi)存上就要有自己的代碼和數(shù)據(jù)，然后也要配套有pcb、地址空間和頁(yè)表，CPU調(diào)度這個(gè)程序時(shí)就會(huì)去執(zhí)行內(nèi)部代碼。接下來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程，要提前把庫(kù)加載到內(nèi)存，映射到我進(jìn)程的地址空間?。。【唧w來(lái)說(shuō)，就是映射到地址空間的堆棧之間的共享區(qū)，未來(lái)想訪(fǎng)問(wèn)pthread庫(kù)中任意一個(gè)函數(shù)的地址，都能通過(guò)頁(yè)表找到對(duì)應(yīng)的方法。

而我們可能正在運(yùn)行多個(gè)和mythread一樣的程序，此時(shí)只需要把它地址空間的共享區(qū)通過(guò)頁(yè)表映射到已經(jīng)加載到內(nèi)存中的pthread庫(kù)，此時(shí)多個(gè)進(jìn)程就能使用同一個(gè)庫(kù)里的方法來(lái)進(jìn)行線(xiàn)程創(chuàng)建了，所以pthread庫(kù)叫做共享庫(kù)，這樣每一個(gè)進(jìn)程都可以只用pthread共享庫(kù)來(lái)創(chuàng)建多線(xiàn)程了。具體示意圖如下：

實(shí)際上，Linux維護(hù)的是輕量級(jí)進(jìn)程的屬性，可是在用戶(hù)層用的是線(xiàn)程，我要的是線(xiàn)程的ID、狀態(tài)等屬性，可是與線(xiàn)程相關(guān)的屬性在Linux內(nèi)核中是沒(méi)有的，所以線(xiàn)程相關(guān)的屬性就要由庫(kù)進(jìn)行維護(hù)，pthread庫(kù)對(duì)線(xiàn)程也具有分配ID的功能，要承擔(dān)對(duì)線(xiàn)程的管理，所以pthread庫(kù)如何做到對(duì)線(xiàn)程管理呢？先描述，再組織！我們?cè)谑褂胮thread_create的時(shí)候，什么叫做創(chuàng)建線(xiàn)程呢？創(chuàng)建線(xiàn)程又做了什么呢？只有內(nèi)核中的LWP是不夠的，LWP中不包括任何包含線(xiàn)程的概念。所以創(chuàng)建線(xiàn)程時(shí)，pthread庫(kù)會(huì)為我們創(chuàng)建一個(gè)上圖中的結(jié)構(gòu)（其實(shí)就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體），也就是申請(qǐng)了一個(gè)內(nèi)存塊，其中第一項(xiàng)struct pthread中存放了線(xiàn)程在用戶(hù)級(jí)最基本的屬性，第三項(xiàng)線(xiàn)程棧就是用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程所擁有的獨(dú)立的棧結(jié)構(gòu)。每創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程就給我們申請(qǐng)這樣的內(nèi)存塊，所有的內(nèi)存塊連續(xù)存放。所謂先描述，這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含了庫(kù)中創(chuàng)建描述線(xiàn)程的相關(guān)結(jié)構(gòu)體字段屬性；所謂再組織，可以先理解為把內(nèi)存塊用數(shù)組的形式管理起來(lái)。換言之，未來(lái)如果我們想找一個(gè)線(xiàn)程的所有屬性，我們只需要找到線(xiàn)程控制塊的地址就可以了，所以pthread_t id就是一個(gè)地址，就是線(xiàn)程控制塊的地址！怎么理解呢？我們之間學(xué)fopen的時(shí)候，其返回值FILE*中的FILE是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，里面包含了文件的相關(guān)屬性，那這個(gè)FILE對(duì)象在哪里呢？在C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里！所以我們?cè)L問(wèn)文件對(duì)象不就是在拿著地址訪(fǎng)問(wèn)文件對(duì)象嗎？

所以，我們應(yīng)該能理解，在pthread_join的時(shí)候，是在拿著線(xiàn)程ID找到對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程控制塊，然后從里面取出線(xiàn)程返回值給*retval，再釋放對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程控制塊，所以這就是為什么我們能拿到線(xiàn)程退出結(jié)果的原因。

因此，Linux線(xiàn)程=pthread庫(kù)中線(xiàn)程的屬性集+LWP，是1:1的。那lwp線(xiàn)程在運(yùn)行怎么怎么保證把自己產(chǎn)生的臨時(shí)變量存放在自己的線(xiàn)程棧上呢？既然有l(wèi)wp概念，那么必然后lwp的系統(tǒng)調(diào)用，比如clone：

lwp可以調(diào)用clone第二個(gè)參數(shù)就可以指定?？臻g，而pthread庫(kù)內(nèi)部就是類(lèi)似對(duì)這種系統(tǒng)調(diào)用的封裝。

那內(nèi)存控制塊中的線(xiàn)程局部存儲(chǔ)是干什么用的呢？我們來(lái)看以下程序：

int gval = 100;

std::string ToHex(pthread_t tid)

{

char buffer[128];

snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%lx", tid);

return buffer;

}

void *threadrun(void *args)

{

std::string name = static_cast(args);

while (true)

{

std::cout << name << " is running...,tid: " << ToHex(pthread_self()) << " ,gval:" << gval << " ,&gval:" << &gval << std::endl;

gval++;

sleep(1);

}

}

int main()

{

pthread_t tid;

pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, (void *)"thread-1");

while (true)

{

std::cout << "main thread running ,gval:" << gval << " ,&gval:" << &gval << std::endl;

sleep(1);

}

pthread_join(tid, nullptr);

return 0;

}

我們發(fā)現(xiàn)，只要新線(xiàn)程改變了全局變量gval的值，主線(xiàn)程也能立即看到。那么，如果gval比較特殊，不能共享，只能讓它們各自單獨(dú)擁有一份gval，所以在Linux的g++中，存在__thread，用__pthrea去修飾gval變量，然后再次運(yùn)行程序，

原因就在于，在編譯時(shí)，一旦一個(gè)內(nèi)置變量被__thread修飾，這樣就在每個(gè)線(xiàn)程的線(xiàn)程控制塊中各自存一個(gè)gval，這就叫線(xiàn)程局部存儲(chǔ)。注意，__thread只在Linux下有效，并且只能修飾內(nèi)置類(lèi)型。

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