Linux：线程的概念

news2024/9/27 9:30:10

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前言
一、线程的概念
- 线程代码的简单示例
总结

前言

本文是对于线程概念的知识总结

一、线程的概念

在课本上，线程是比进程更轻量级的一种指向流或线程是在进程内部执行的一种执行流。
我们再提出两个理解，线程是CPU调度的基本单位 / 进程是承担系统资源的基本实体。
先记住上面的结论
我们知道，进程 = 内核数据结构 + 代码和数据构成的。
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CPU要调度进程，就要有运行队列，而运行队列中排队的就是pcb。CPU通过这些pcb，找到对应的地址空间，进而通过地址空间中的虚拟地址，在页表中映射物理地址，从而找到对应的代码和数据。那么，我们是不是可以将地址空间理解为进程的资源窗口，毕竟进程想要访问正文代码，数据，new和malloc的空间，共享库，栈上的临时数据，命令行参数和环境变量等都是通过地址空间来进行的。

那么，我们如果要创建进程，就要创建对应的pcb，地址空间，将磁盘中的代码和数据加载进内存，再将地址空间中的虚拟地址与物理地址映射构成页表，打开stdin，stdout，stderr构建文件资源描述表，初始化信号处理过程等，这样看来进程创建的成本还挺高的。那为了减少成本，我们能不能在进程内部，再创建多个pcb指向该进程的地址空间，将代码分成多个，并将私有的数据，使每个pcb各自私有一份，可以共享的数据就共享。当CPU来调度其中一个pcb时，其只会运行该进程的一部分代码和一部分数据。我们就可以将这种比以往进程更轻(创建成本)的东西，称为线程。

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在linux程序员看来，描述线程的结构体(TCB Thread control block ) 中属性在pcb中都有。那如果我们把pcb来充当tcb，我们就可以把进程调度，切换的代码在线程级别复用起来，而不用再单独设计线程。也就说，以后再创建线程，只需要创建pcb，然后指向同一个进程地址空间，线程的管理就可以复用进程的管理代码。这就是linux中线程的实现方案。

那就有一个问题，在CPU看来，一个pcb到底是进程还是线程，或者说CPU要不要区分一个pcb是进程还是线程。答案很明显，CPU不需要区分进程和线程，CPU只需要根据pcb的地址空间来执行代码即可。也就是现在CPU拿到一个pcb，其执行流是小于等于进程的(当该进程内有多个pcb，其执行流小于进程；当该进程只有一个pcb，其执行流等于该进程)。那现在什么是进程？进程 = 该进程的所有pcb + 地址空间 + 页表 + 代码和数据。与以往进程的区别就是，现在进程内部有多个执行流，以前进程内部只有一个执行流。
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红色框内的所有东西之和就是进程。
现在我们就可以理解进程是承担分配系统资源的基本实体，线程是参与资源分配。进程创建要申请系统资源，来创建一个pcb，地址空间，页表，代码和数据，线程创建就是创建一个pcb来分配该进程内部的资源(划分地址空间)。实际上，在linux中并没有真正意义的线程，只是用进程的数据结构来模拟的线程。这种描述执行流的pcb就是轻量级进程(LWP light wigth process 执行流小于等于进程)。那以后，CPU调度就不再是进程，而是一个一个的轻量级进程(pcb)，也就是线程是CPU调度的基本单位。

线程比进程更轻量化的原因

线程创建销毁更简单，线程只需创建销毁一个pcb来参与资源的分配，而进程创建销毁不仅仅只需要一个pcb
线程在地址空间中运行
线程调度更简单；在同一进程内，线程之间切换是不需要更改地址空间和页表，只需要将运行中产生的临时数据进行切换即可，也就是只需切换少量的上下文数据。但这不是主要原因，在cpu内有一个大的存储空间cache用来进行数据的缓存(热数据)，cache在缓存中是以进程为单位的，那理论上，线程做切换，就不需要切换cache，着就是线程切换更简单。因为有局部性原理(如当前访问的代码附近的代码，有可能是下次要访问的代码)给预加载机制，提供理论基础，

线程代码的简单示例

经过上面的描述，我们已经对线程有了一定的理解，下面就让我们在代码层面上来看看。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

// 新线程
void *ThreadRountine(void *arg)
{
    const char *threadname = (const char *)arg;
    while (true)
    {
        std::cout << "I am a new thread: " << threadname << ", pid: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
     pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRountine, (void*)"thread 1");
    // 主线程
    while (true)
    {
        std::cout << "I am main thread" << ", pid: " << getpid() <<std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

上面代码，我们创建了一个新线程，并让主线程和新线程都执行死循环。
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不出所料，只有一个进程在执行，主线程和新线程都在执行，并且pid相同(在同一个进程内)。那如何查看线程呢？ ps -aL查看。

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果然有两个线程，其中主线程的LWP 和 PID是相同的。在操作系统中，是通过LWP来识别不同的轻量级进程的。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>


int gnt = 100;
// 新线程
void *ThreadRountine(void *arg)
{
    const char *threadname = (const char *)arg;
    while (true)
    {
        std::cout << "I am a new thread: " << threadname << ", gnt = " << gnt << ", &gnt" << &gnt << std::endl;
        gnt--;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
     pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRountine, (void*)"thread 1");
    // 主线程
    while (true)
    {
        std::cout << "I am main thread" << ", gnt = " << gnt << ", &gnt" << &gnt  <<std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}