线程是如何创建的

news2024/9/26 5:20:00

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，是 Glibc 库的一个函数，所以我们还要去 Glibc 里面去找线索。

首先处理的是线程的属性参数。例如前面写程序的时候，我们设置的线程栈大小。如果没有传入线程属性，就取默认值。

const struct pthread_attr *iattr = (struct pthread_attr *) attr;
struct pthread_attr default_attr;
if (iattr == NULL)
{
  ......
  iattr = &default_attr;
}

接下来，就像在内核里一样，每一个进程或者线程都有一个 task_struct 结构，在用户态也有一个用于维护线程的结构，就是这个 pthread 结构。

struct pthread *pd = NULL;

凡是涉及函数的调用，都要使用到栈。每个线程也有自己的栈。那接下来就是创建线程栈了。

int err = ALLOCATE_STACK (iattr, &pd);

ALLOCATE_STACK 是一个宏，我们找到它的定义之后，发现它其实就是一个函数。allocate_stack 主要做了以下这些事情：

如果你在线程属性里面设置过栈的大小，需要你把设置的值拿出来；
为了防止栈的访问越界，在栈的末尾会有一块空间 guardsize，一旦访问到这里就错误了；
其实线程栈是在进程的堆里面创建的。如果一个进程不断地创建和删除线程，我们不可能不断地去申请和清除线程栈使用的内存块，这样就需要有一个缓存。get_cached_stack 就是根据计算出来的 size 大小，看一看已经有的缓存中，有没有已经能够满足条件的；
如果缓存里面没有，就需要调用 __mmap 创建一块新的，系统调用那一节我们讲过，如果要在堆里面 malloc 一块内存，比较大的话，用 __mmap；
线程栈也是自顶向下生长的，还记得每个线程要有一个 pthread 结构，这个结构也是放在栈的空间里面的。在栈底的位置，其实是地址最高位；
计算出 guard 内存的位置，调用 setup_stack_prot 设置这块内存的是受保护的；
接下来，开始填充 pthread 这个结构里面的成员变量 stackblock、stackblock_size、guardsize、specific。这里的 specific 是用于存放 Thread Specific Data 的，也即属于线程的全局变量；
将这个线程栈放到 stack_used 链表中，其实管理线程栈总共有两个链表，一个是 stack_used，也就是这个栈正被使用；另一个是 stack_cache，就是上面说的，一旦线程结束，先缓存起来，不释放，等有其他的线程创建的时候，给其他的线程用。

真正创建线程的是调用 create_thread 函数，这个函数定义如下：

static int
create_thread (struct pthread *pd, const struct pthread_attr *attr,
bool *stopped_start, STACK_VARIABLES_PARMS, bool *thread_ran)
{
  const int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SYSVSEM | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | 0);
  ARCH_CLONE (&start_thread, STACK_VARIABLES_ARGS, clone_flags, pd, &pd->tid, tp, &pd->tid)；
  /* It's started now, so if we fail below, we'll have to cancel it
and let it clean itself up.  */
  *thread_ran = true;
}

如果在进程的主线程里面调用其他系统调用，当前用户态的栈是指向整个进程的栈，栈顶指针也是指向进程的栈，指令指针也是指向进程的主线程的代码。此时此刻执行到这里，调用 clone 的时候，用户态的栈、栈顶指针、指令指针和其他系统调用一样，都是指向主线程的。

但是对于线程来说，这些都要变。因为我们希望当 clone 这个系统调用成功的时候，除了内核里面有这个线程对应的 task_struct，当系统调用返回到用户态的时候，用户态的栈应该是线程的栈，栈顶指针应该指向线程的栈，指令指针应该指向线程将要执行的那个函数。

创建进程的话，调用的系统调用是 fork，在 copy_process 函数里面，会将五大结构 files_struct、fs_struct、sighand_struct、signal_struct、mm_struct 都复制一遍，从此父进程和子进程各用各的数据结构。而创建线程的话，调用的是系统调用 clone，在 copy_process 函数里面，五大结构仅仅是引用计数加一，也即线程共享进程的数据结构。