理解pthread库

pthread库是一个动态库

使用下面指令可以查找的系统目录下的库信息

ls /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0 -l

可以看到，libpthread.so.0是一个动态库，而动态库是在运行时由程序加载。

pthread 库实现了POSIX标准下的线程管理功能，它提供了**创建、管理、同步和销毁线程的函数。**这些函数允许程序在一个进程中同时执行多个任务，即多线程操作。 这些函数都是对系统调用的封装，提供高效、标准化的多线程编程接口，它通过动态加载和链接机制，不仅节省了系统资源，还提供了灵活的升级路径。在使用pthread库时，程序可以享受标准线程操作接口的便利，而不必关心底层复杂的线程管理和调度细节。

底层逻辑

1.线程创建的目标
pthread_create的主要任务就是在一个进程中创建一个新的线程，新的线程共享地址空间和部分资源。

2.使用clone() 系统调用
在Linux中，线程的创建的核心就是使用clone()。clone()与fork()相似，但是比后者更加的灵活，其可以控制新线程和父进程共享的资源和属性。

clone() 系统调用的签名为：

pid_t clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg, ...
            pid_t *ptid, void *tls, pid_t *ctid);

参数：

• fn: 新线程的执行函数指针。
• child_stack: 指向新线程的栈顶，用于在新线程中执行函数。
• flags: 指定新线程与父线程共享哪些资源（如内存、文件描述符等）。
• arg: 传递给 fn 的参数。
• 还有一些可选的参数（如 tls, ptid, ctid），用于更细粒度的控制新线程的特性。

线程创建的流程：
线程创建的大体流程如下：

1. 准备线程属性：

• pthread_create 首先会根据传入的线程属性（如栈大小、调度策略）准备必要的资源。如果没有指定，使用默认值。
• 例如，默认情况下，新线程会继承进程的地址空间、文件描述符表、信号处理器等。

2. 设置栈空间：

• 为新线程分配栈空间，通常通过映射新的内存区域来完成（使用 mmap() 或现有栈空间）。
• 栈空间是线程私有的，即每个线程都有自己的栈，以避免不同线程之间的数据混淆。

3. 调用 clone()：

• pthread_create 通过 clone() 系统调用创建新线程。clone() 创建一个新的轻量级进程（LWP），它与调用者共享资源（如地址空间），但有自己的栈和执行上下文。
• 通过 flags 参数指定哪些资源要共享，常见的标志包括：
  • CLONE_VM: 共享内存空间。
  • CLONE_FS: 共享文件系统信息。
  • CLONE_FILES: 共享文件描述符表。
  • CLONE_SIGHAND: 共享信号处理。

4. 在新线程中执行函数：

• clone() 成功后，新线程开始执行 fn 函数，并将传递的 arg 作为参数。
• 新线程执行函数 fn，直到它返回或显式调用 pthread_exit。

5. 线程 ID 的管理：
   pthread_create 返回时，会将新创建线程的 ID (pthread_t) 传给调用者。这通常是一个整数（或指针），在系统中唯一标识该线程。
   内核会跟踪这个线程 ID 以及它的相关信息（如状态、栈指针等）。

LWP

 LWP是Linux系统中一个重要的概念，一般用来描述系统内核的线程的实现，也是一种轻量化的进程。
 轻量级进程（LWP） 是内核调度的最小单位，LWP通常与用户线程（如使用pthread库创建的线程）一一对应。每个用户线程对应一个LWP，LWP由内核调度和管理。
 通过 clone() 系统调用可以创建LWP。clone()允许指定与父进程共享的资源，创建出的子进程就是一个LWP。
 LWP的实现是通过 task_struct 结构体。每个LWP都有一个 task_struct 实例，该结构体包含了调度所需的所有信息，如进程ID（PID）、状态、调度策略等。

pthread_t

pthread_t的概念

pthread_t 是 Pthreads库中的一个数据类型，用来标识一个线程。

当调用pthread_create()时，Pthreads库会为新线程分配一个pthread_t标识符。这个标识符通常在内部对应一个轻量级进程的ID（LWP ID）。

pthread_t 是一个用户级别的标识符。

pthread_t 的实现

pthread_t 的具体实现取决于操作系统和平台。在 Linux 上，通常 pthread_t 被定义为一个 unsigned long int，即一个无符号长整型。这种类型能够唯一标识一个线程。

实际上，pthread_t 在内部可能是一个线程控制块（TCB）的指针，或者是一个可以唯一标识线程的 ID。在 Linux 上，它可能会被直接映射到轻量级进程（LWP）的 ID，或者映射到某种形式的索引结构。

pthread_t 与 LWP 的关系

• pthread_t 是用户空间的标识符，用户通过它操作线程。每个 pthread_t 对应一个内核中的轻量级进程（LWP）。
• 当用户调用 pthread 库的函数操作pthread_t 时，底层会通过系统调用与内核交互，对应操作LWP。

独立的栈空间

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>

int g_val = 100;

std::string ToHex(pthread_t tid)
{
    char ch[128];
    snprintf(ch, sizeof(ch), "0x%lx", tid);
    return ch;
}

void *threadRun(void *arg)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(arg);
    while (1)
    {
        std::string tid = ToHex(pthread_self());
        std::cout << "I am new thread, my id = " << tid << " val = " << g_val << " &val = " << &g_val << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread-1");

    while (1)
    {
        std::cout << "I am main thread, my val = " << g_val << " &val = " << &g_val << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

声明全局变量，分别通过主新线程打印变量值和地址。

主新线程的g_val值和地址都一样。

那如果在声明变量的时候加上__thread呢？

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <pthread.h>

__thread int g_val = 100;		//加上了__thread

std::string ToHex(pthread_t tid)
{
    char ch[128];
    snprintf(ch, sizeof(ch), "0x%lx", tid);
    return ch;
}

void *threadRun(void *arg)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(arg);
    while (1)
    {
        std::string tid = ToHex(pthread_self());
        std::cout << "I am new thread, my id = " << tid << " val = " << g_val++ << " &val = " << &g_val << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, threadRun, (void *)"thread-1");

    while (1)
    {
        std::cout << "I am main thread, my val = " << g_val << " &val = " << &g_val << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

主新线程的g_val值和地址都不一样，证明不太线程有其独立的栈空间。

管理

pthread_t 是一个用户级别的标识符，而LWP是内核级别的标识符。

• 内核管理：
   无论是进程还是线程，内核都使用 task_struct 结构体来进行管理。task_struct 是进程和线程在内核中的核心数据结构，包含了所有的管理信息。
• 用户空间管理：
   pthread 库在用户空间使用自己的数据结构（如 pthread_t 和 TCB）来抽象和管理线程。这些结构为用户提供了线程操作的接口，同时通过系统调用将操作委托给内核。最终，内核中的 task_struct 结构体管理实际的线程调度和执行。

&emsp因此，pthread 库确实在用户空间维护了一套数据结构来管理线程，而内核则继续使用 task_struct 来维护和管理进程与线程的执行。两者之间通过系统调用进行交互，用户空间的数据结构（如 pthread_t）在本质上是对内核线程的一个抽象。