知识引入
初识线程
- 1.什么叫做进程？
- 2.什么叫做线程？
- 3.如何看待我们之前学习的进程？
理解线程
创建线程函数调用
- 1.线程一旦被创建，几乎所有资源都是被线程所共享的
- 2.与进程之间切换相比，线程的切换
初识线程总结：
- 线程的优点
- 线程的缺点
- 线程异常
- 线程用途
- Linux进程VS线程

知识引入

如何看待地址空间和页表:

地址空间是进程能看到的资源窗口
页表决定，进程真正拥有资源的情况（页表映射多少才是拥有多少）
合理的对地址空间+页表进行资源划分，我们就可以对一个进程所有的资源进行分类

虚拟地址如何找到物理地址：
在这里插入图片描述
最后一级页表存放的是页框的起始物理地址然后通过虚拟地址后12位为页内偏移量→物理地址

初识线程

1.什么叫做进程？

在这里插入图片描述
进程组成：PCB + 地址空间 + 页表 + 物理内存映射的一部分

2.什么叫做线程？

线程：进程内的一个执行流

虚拟内存里面决定了进程能够看到的“资源”，我们将我们的代码分成一块一块的区域，我们不再像以前那样创建进程就将原进程的虚拟地址空间、页表再复制一份，而是只创建PCB指向父进程指向的位置：
在这里插入图片描述
我们首先要知道：一个进程所对应的资源是可以通过虚拟地址空间和页表将部分资源划分给不同的PCB中的，因为我们可以通过虚拟地址空间+页表方式对进程进行资源划分，单个“进程”执行力度，一定要比之前的进程要细

思考:
如果OS真的要专门设计“线程”概念，OS要不要管理这个线程呢?
肯定是需要的，方法还是：先描述，在组织。在windows中为线程设计专门的数据结构表示线程对象TCB，而在Linux中单纯从线程调度角度，线程和进程有很多的地方是重叠的！所以，我们的Linux工程师，不想给Linux"线程"专门设计对应的数据结构！而是直接复用PCB！
用PCB用来表示Linux内部的"线程"。而对于CPU来说，它并不关心你的PCB是表示进程还是线程，它只关心task_struct(PCB)

线程在进程内部运行，线程在进程的地址空间内运行，拥有该进程的一部分资源!

3.如何看待我们之前学习的进程？

在这里插入图片描述
进程：一堆的PCB + 地址空间 + 页表 + 对应的物理地址

之前的进程：承担系统资源的基本实体，只不过内部只有一个执行流，一个进程内部可以有多个执行流

站在CPU的角度看待task_struct：以前：进程—现在：进程内的一个分支
CPU很笨，它不会区分，它只需要拿来就能用就行。

Linux下统称task_struct：轻量级进程

小总结：

Linux内核中有没有真正意义的线程呢?没有。Linux是用进程PCB来模拟线程的，是一种完全属于自己的一套线程方案
站在CPU的视角，每一个PCB，都可以称之为叫做轻量级进程
Linux线程是CPU调度的基本单位，而进程是承担分配系统资源的基本单位
进程用来整体申请资源，线程用来伸手向进程要资源。（比如公司、小组、组员关系，小组向公司申请资金，组员向小组长拿钱）
Linux中没有真正意义的线程
好处是什么?简单，维护成本大大降低–可靠高效!
我们使用PCB来模拟线程，那么我们曾经给PCB创建的一整套的数据结构与算法都可以复用。而且线程与进程有很多地方是重叠的，这也给我们重新创建线程方法的编码难度大大提高，更为复杂的代码，带来的就是维护成本的增高

OS只认线程，用户(程序员)也只认线程
Linux无法直接提供创建线程的系统调用接口，而只能给我提供创建轻量级进程的接口

理解线程

我们将
家庭比作进程
家庭成员比作线程
(家庭成员)你的爸爸妈妈努力工作是为了生活更美好，你的爷爷奶奶每天锻炼跳广场舞是为了身体健康，你每天努力学习是为了未来有更好的生活，(家庭)所有人的目的都是为了这个家更美好。家庭与家庭成员关系类比也就是进程与线程的关系

创建线程函数调用

在这里插入图片描述
函数原型：（具体可看下一章线程控制）

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
					void *(*start_routine) (void *), void *arg);

创建线程参考：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
// 新线程
void *thread_routine(void *args)
{
    while (true)
    {
        cout << "我是新线程, 我正在运行!" << endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    // typedef unsigned long int pthread_t;
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, thread_routine, (void *)"thread one");
    assert(0 == n);
    (void)n;
    while (true)
    {
        // 地址 -> ?
        cout << "我是主线程, 我正在运行!" << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

直接运行的结果：
在这里插入图片描述
错误：对“pthread create”的未定义引用
原因：这个函数并不是OS提供给我们的系统调用，Linux没有真正意义上的线程，只有轻量级进程，所以Linux只能提供轻量级进程的接口，无法给我们直接创建线程。而这个函数是第三方库提供给我们的，不是语言提供的也不是OS提供的，这个库是：

Compile and link with -pthread.

当然这个库大概率是在系统之中已经有的，为了使用这个第三方库，我们编译时需要找到这个库 -lpthread：

g++ -o mythread mythread.cc -lpthread -std=c++11

在这里插入图片描述

代码执行结果：
在这里插入图片描述
很明显有两个执行流在一起运行，但是：

如何看到这两个执行流信息呢？

ps -aL

在这里插入图片描述

LWP：light weight process 轻量级进程ID
两个线程的PID都是相同的，主线程是PID与LWP相同的那个

CPU调度的时候，是以哪一个id为标识符表示特定一个执行流的呢？ LWP
当我们只有一个执行流的时候，PID与LWP是相同的，在这种情况下使用PID标识或LWP标识都可以

在这里插入图片描述

1.线程一旦被创建，几乎所有资源都是被线程所共享的

int g_val = 0;
// 新线程
void *thread_routine(void *args)
{
    const char *name = (const char *)args;
    while (true)
    {
        cout << "我是新线程, 我正在运行!" << " : " << g_val++ << " &g_val : " << &g_val << endl;
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    typedef unsigned long int pthread_t;
    pthread_t tid;
    int n = pthread_create(&tid, nullptr, thread_routine, (void *)"thread one");
    assert(0 == n);
    (void)n;
    while (true)
    {
        cout << "我是主线程, 我正在运行!"<< " : " << g_val << " &g_val : " << &g_val << endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

线程也一定要有自己私有的资源，什么资源应该是线程私有的呢?

PCB属性私有
要有一定私有上下文结构
每一个线程都要有自己独立的栈结构-

2.与进程之间切换相比，线程的切换

进程:切换页表&&虚拟地址空间&&切换PCB &&上下文切换
线程:切换PCB &&上下文切换
线程切换cache不用太更新，但是进程切换，全部更新
cache:高速缓冲存储器，比CPU的寄存器慢些，但是比内存块
软件存在一种属性叫做局部性原理，当前访问的代码和数据那么它相邻的代码和数据也非常容易被访问到。

当多个线程切换时，这些热点数据本来就是被线程所共享的，线程切换时，cache不用被切换。因为这部分数据，线程PCB再怎么切换可能之前缓存的数据还是能用得上，能命中，所以缓存根本不用切换。(热点数据就是经常被访问到的数据)
如果是进程切换，A进程代码和数据保存一大堆，切换到B进程时，上下文一保存，那么之前cache里的缓存数据都失效，新进程B需要重新加载到cache，切换到旧进程A，又要重新加载，来回切换增加了很多成本与效率。

初识线程总结：

进程 VS 线程
Linux进程是申请资源的基本单位，而线程是进程里面的一个小执行流，是CPU调度的基本单位。下图整个框里面是进程，而线程是绿色的PCB执行流
在这里插入图片描述

线程的优点

创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
线程占用的资源要比进程少很多
能充分利用多处理器的可并行数量
在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

计算密集型应用(CPU，加密，解密，算法等) VS I/O密集型应用(外设，访问磁盘，显示器，网络)

线程的缺点

性能损失
一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。
健壮性降低
编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。

为什么一个线程出问题会影响其余线程？进程信号，信号是整体发给进程的，它会向PID相同的执行流全部写入出错信号。
线程出异常本身就是进程出异常，比如小组里面的成员删库跑路，公司问责不仅仅要问责这个成员，还需要问责整个小组。一个线程出异常导致整个进程的资源都被释放掉，那么其余的线程赖以生存的资源已经没了，所以也就只能释放
缺乏访问控制
进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。
编程难度提高
编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多