从上一篇文章来看，线程的使用是比较简单的。但是在c++环境下使用线程，最难也是最麻烦的点在于对内存的管理。因为如果多线程独立运行的话(不是一个一个的join，串行执行)，那么对于一些公共的指针，也就是说在不同线程中指向相同位置的内存区域的开辟与释放，就是非常麻烦的事情。因为你不知道哪个线程会先执行到这个位置，把内存开辟了(顺序乱了的话就容易造成野指针，造成内存泄漏)。如果是释放顺序错了的话，就会导致非法访问已经释放的内存区域，造成内存越界，程序直接core dump。
所以这一篇打算说一说线程和内存的关系。

线程的内存结构

首先，线程本身也是一种数据结构，这个数据结构中保持的数据，很多都是用于操作系统用于做线程调度使用的，当然也还有一些是其他的作用，这一小节我们就先来看一下线程这个实体(entity)在程序运行时，在内存中的结构。

std C++11标准库中的thread也需要基于具体的平台的实现，不同平台的实现都会不一样。这里只提一些通用的部分。因为大部分程序还是在linux下开发，所以更多的源代码部分都是基于linux操作系统的。基本上都是基于POSIX标准。

栈帧

我在之前的一篇关于内存的文章中提到过C++程序运行时在内存中的结构：
https://blog.csdn.net/pcgamer/article/details/128148962?spm=1001.2014.3001.5501
其中有一个区域叫做“栈区”，线程的数据就保存在这个区域。

首先需要理解一下，所有的线程运行都是执行一行一行的代码，或者说可以执行一个一个的函数。这些函数和代码都是保存在内存的代码区域的。
或者说函数是一个静态的概念，而线程是一个动态的概念。函数代码通过线程这个动态实体，被操作系统调度到cpu上运行。

所以，首先看一下一个函数被调用时在内存中的结构(不管是单线程还是多线程，都会调用到函数)

具体的结构，有兴趣的朋友可以去翻翻源码。

函数调用的过程可以概括为：

• 操作系统创建一个栈帧结构
• 将返回地址赋值到栈帧结构中(当前函数的下一条代码地址，代码区域中的地址，用于函数返回用)
• 将行参从右往左的顺序入栈(C代码的标准，其他的不一定，有些地方使用__stdcall这个宏定义就是干的这个)
• 为其他变量什么的赋值
• 将栈帧入栈

那么函数结束返回的过程可以概括为：

• 将函数的返回值保存在eax寄存器中
• 将当前栈帧出栈，从栈中取到返回地址,并跳转到该位置
• 将当前栈顶的地址给esp寄存器中，就是下一个栈帧。

从上面的描述来看，我们在一个函数中定义的局部变量(指针除外)是跟随着该函数的栈帧创建而创建；函数执行完毕后，栈帧出栈被清除也就被清除了。
但是如果是函数本地变量的指针，如果使用了new等操作符分配了堆上的内存的话，该指针随着函数结束被清除，但是指针指向的地址是不会被释放的，就会造成内存泄漏。

从多线程的角度来看，可以知道：

• 函数中的本地变量(非指针)是安全的，不会因为多线程的调用而冲突，所以上一篇中讲到的创建线程的传参方式是值传递，就是保证了这个。
• 如果在函数中使用了指针，那么就要悠着点，因为你不知道你哪个线程先被调用，如果提前释放了，就会导致错误。
• 如果是静态变量，那么会发生不一致的情况发生，同样是因为线程的调度问题。

所以，确定线程的调度逻辑，是用好多线程的一个基础。

线程/进程调度

前面说到，线程实际上就是把一个一个的函数代码放到cpu上去运行，那么可以理解为线程就是函数被操作系统调度的一个实体。

大概是下图这个关系：

• 操作系统中有一个任务调度的实体，在linux上的结构为task_struct，这个结构维护了一个调度线程的队列及其相关信息，比如线程的状态，内存地址等信息。
• 当一个函数被调用时（其实就可以是一个线程，因为函数被调用，肯定是一个线程这样一个动态的概念才能被调用），操作系统创建一个栈帧，把函数的地址，行参等信息入栈，创建局部变量入栈等操作。
• ESP寄存器，这个寄存器一般都是用于记录上一次栈帧的地址，也就是上一次函数的返回位置。当调用一个新函数时，把这个ESP中的地址记录到task结构中，然后把最新的栈帧地址填入到ESP中。
• 当函数执行完成后，ESP将上一步记录到task结构中的地址拿出来填上，再把当前栈区空间中的栈顶的栈帧退栈，即可完成函数的调用和返回(当然还有一些其他的清理工作)

线程的进一步使用

线程安全和可重入

线程的使用会涉及到两个概念：线程安全和可重入。
这两个概念有很多中解释法，可重入(reentrancy)在wiki上还能找到一个词条： In computing, a computer program or subroutine is called reentrant if it can be interrupted in the middle of its execution and then safely called again (“re-entered”) before its previous invocations
complete execution. The interruption could be caused by an internal action such as a jump or call, or by an external action such as a hardware interrupt or signal. Once the reentered invocation completes, the previous invocations will resume correct execution.
简单来说，就是一个线程执行这个方法时，被中断程序打断后，重新恢复运行时不出错。

而线程安全的含义一般指的是，多个线程在调用同一段代码的时候，所有的线程都可以得到正确的结果。

从上面两个描述上来看，个人觉得两个概念基本上差不多，本质上都是对内存中的变量进行访问时不出问题，能得到预期的结果。

所以这里重点说说多线程中内存的使用。

一般的内存使用

从上面栈帧和调度的分析来看，如果一个函数使用的都是局部变量，那么在多线程中肯定是安全的，因为这些变量的内存都是随着线程的调度，而在栈帧中统一被调入和调出。调出后其他的线程也是无法访问和修改的，所以肯定是安全的，也是能得到预期的结果的。
但是，绝大部分场景下，多个线程的合作肯定是会要访问同一个变量或者结构，也就是访问同一块内存的，不考虑类的情况下，有如下的几种情况：

static变量

static变量为在全局数据区分配内存，所有的线程都可以访问到，所以如果要保证得到预期结果，必须根据业务需求在变量的修改上增加锁控制。

使用new关键字，访问堆上的内存

• 如果在多线程函数内部使用new函数。用于保存内存地址的指针需要时局部变量：

  void pFunc()
  {
    char * cPtr = new char[1024];
    
    // do something
  
    delete cPtr; 
  }
  

  这样的话，虽然内存是在堆上，但是这个指针是跟随着栈帧走的，不会存在被其他线程修改的情况。
  有一个风险就在于在执行到一半的时候被父线程或者其他原因kill掉，导致内存泄漏。

  如果cPtr是一个static的话，那么就很有可能在一个的线程中被delete后，再由某一个线程进行访问，在多线程下就是不安全的。

• 如果是通过函数的行参传入到函数内，这种情况多见于回调函数的使用中。
  因为回调函数很多情况下是由其他函数调用回来的，而且一般来说都是由事件驱动，基于多线程的。
  在这种情况下，一般来说遵守一个原则：指针参数变量最好是设置为const变量。

  void pFunc(const char * cPtr)
  {
    
    // do something
  
  }
  

  因为在这种情况下，这个指针肯定是由外部调用来创建和初始化的，根据谁创建，谁修改，谁销毁的原则。在多线程函数内部，最好不要对这个指针指向的内存做修改和销毁。
  另外，如果要使用的话，尽量在函数的的最开始就单独创建一个属于线程函数自身的内存，并将数据拷贝过来进行使用。

  void pFunc(const char * cPtr, int size)
  {
    char * _cPtr = new char[size];
  
    memset(_cPtr, 0, size);
    memcpy(_cPtr, cPtr, size);
  
    // do something
  
    delete [] _cPtr;
  
    ...
  }
  

类中的内存使用

如果使用到类，和纯面向过程的代码有一点区别：

• 首先类中的方法来说，在前面的一篇文章提到过，类的方法实际上在符号表中也是会形成一个和普通方法相同的符号，只不过是根据类名，行参等名字做了一些前缀和后缀，所以线程调用起来和普通的方法是一样的，也是通过栈帧的方式来传递。
  至于方法中的局部变量什么的就和上面提到的是一样的了。
• 类中的成员静态成员变量：所有类对象共有，位于内存的静态区，和上面的静态变量使用方式类似。
• 类普通成员变量(非指针，指针的要参考具体是怎么创建的，如果是new的话，就都是在堆上)。成员变量的话是在类对象创建和初始化的时候来确定位置的。那么：
  • 如果类对象是通过new的方式来生成的，那么所有的类成员都一起在堆上生成。
  • 如果类对象是作为函数的局部变量来声明的，那就是在栈区，也就是跟随着这个函数的栈帧一起被调度。