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Linux -- 线程的优点、pthread 线程库

article 2024/12/25 11:25:35

线程的优点

pthread 线程库

前言

认识线程库

简单验证线程的独立栈空间

线程的优点

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得多。

调度进程时，CPU 中有一个 cache（缓存，提高运行效率），CPU在虚拟地址转物理地址后，在内存中找到了一行代码，然而程序在运行时，比如运行到了第50行代码，下一次大概率会运行下一行代码，也就是第51行代码，也有可能跳转到其他代码，但是大概率还是运行下一行代码，所以系统把第50行代码的周边代码都加载到 cache 中，CPU 在运行时直接从 cache 中读取代码，提高 CPU 寻址效率。

进程切换时，会把当前缓存到 cache 的数据都切换掉，而线程切换时，寄存器中的数据会被切换，但 cache 中的数据不会被丢弃，大概率还是可以用的，线程切换只需要更改少量寄存器和栈指针等信息，而不需要像进程那样进行完整的上下文切换。所以线程切换时操作系统做的工作比进程的切换少。

创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多，线程占用的资源比进程少得多。

进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位，当多个线程属于同一个进程时，它们会共享以下资源：

地址空间：包括代码段、数据段、堆区和栈区（每个线程有自己的栈）。所有线程都可以访问进程的整个虚拟地址空间，这意味着它们可以读写相同的全局变量和静态变量。

打开的文件描述符：如文件、网络连接等。所有线程都能操作这些描述符，因此对文件或网络连接的操作可以在不同线程间共享。

环境变量：进程启动时设置的环境变量是所有线程共有的。

内存映射：如果进程使用了内存映射文件或其他形式的内存映射，那么这些映射也是所有线程可见并可访问的。

信号处理程序：虽然信号通常是针对整个进程的，但某些信号（如SIGSEGV）可以由特定线程捕捉到，并且线程可以安装自己的信号处理器。

当前工作目录：所有线程共享同一进程的工作目录，任何线程改变工作目录都会影响其他线程。

用户ID和组ID：与安全性和权限相关的标识信息是所有线程共有的。

资源限制：例如最大文件大小、CPU时间等，这些限制适用于整个进程，因此也适用于所有线程。

因为多个线程共享资源，所以一个线程占用的资源比进程少。

但是线程也会有自己私有的资源：

栈空间：每个线程都有自己的栈，用于存储函数调用时的局部变量、返回地址等信息。这是线程之间保持独立性的关键之一，因为每个线程可以在其栈上进行独立的操作而不干扰其他线程。

寄存器集合（上下文数据）：当线程被调度执行时，它有自己的寄存器集，包括程序计数器（PC）、堆栈指针和其他通用寄存器。这些寄存器保存了线程执行的状态信息。

线程ID：操作系统赋予每个线程一个唯一的标识符（TID），用于区分不同的线程。这个ID是线程私有的，因为它唯一地识别了一个线程。

线程优先级和调度属性：某些系统允许为每个线程设定独立的调度参数，如优先级和策略，这些属性影响线程的执行顺序和时间片分配。

pthread 线程库

前言

Linux 的线程是用进程模拟的，线程在Linux底层被视为轻量级进程。对于同一个进程中的新、主线程，可以看出线程的 tid 和 LWP 的数值是不一样的：

线程被创建、等待、分离、终止，且拥有独立的栈结构，这些都是系统在管理线程，

1、系统管理线程时，并没有对用户暴露在系统中线程被视为轻量级进程的事实，用户认为那就是线程；

2、系统中没有线程的概念，只有轻量级进程的概念，用户却能创建管理、操作线程。

能实现以上两点是因为系统对底层的轻量级进程进行了封装，用户能操作线程都是因为有了库，所以在Linux中线程也叫做用户级线程。既然线程因库而起，就应该由库来维护。

认识线程库

为了管理线程，“先描述再组织”，定义线程的控制块 TCB，TCB是操作系统内核用来管理和调度线程的数据结构。

#include <pthread.h>
 
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                  void *(*start_routine) (void *), void *arg);

pthread_create 的第一个参数 thread 是一个 pthread_t 类型的输出型参数，函数调用结束后，thread 指向一个虚拟内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程 ID，所以 pthread_t 类型的线程 ID 实际上就是一个进程地址空间的一个地址！线程库的后续操作就是根据该线程 ID 来操作线程的，用户也可以调用 pthread_self 函数来获得线程自身的 ID。

线程库中还包含了一系列用于创建、管理和操作线程的函数、类和数据结构。具体来说，一个典型的线程库会提供以下组件：

1. 线程管理

创建线程：函数或构造函数用来启动一个新的线程，通常需要指定要在线程中执行的函数（即线程函数）。

示例：pthread_create() (POSIX Threads)

销毁/终止线程：方法来结束线程的执行，可以是自然结束（当线程函数返回时），也可以是通过特定API强制结束。

示例：pthread_cancel(), std::thread::join() 或 std::thread::detach()

等待线程完成：允许主线程或其他线程等待某个特定线程完成其任务。

示例：pthread_join(), std::thread::join()

2. 线程同步机制

为了确保多个线程之间安全地共享资源，线程库提供了各种同步工具：

互斥锁（Mutex）：防止多个线程同时访问临界区代码段。

示例：pthread_mutex_t, std::mutex

读写锁（Read-write Locks）：允许多个读者或单个写者访问资源。

示例：pthread_rwlock_t

条件变量（Condition Variables）：用于线程间的通信，一个线程可以在满足特定条件时唤醒另一个线程。

示例：pthread_cond_t, std::condition_variable

信号量（Semaphores）：控制对有限数量资源的访问。

示例：sem_t (POSIX Semaphores)

3. 线程属性设置

设置线程属性：在创建线程之前，可以设定一些线程属性，如栈大小、调度策略等。
示例：pthread_attr_t (POSIX Threads)

4. 线程本地存储（TLS）

线程局部数据：为每个线程提供独立的数据副本，即使这些变量是在全局范围内声明的。
示例：pthread_key_create(), pthread_getspecific(), pthread_setspecific(), std::thread_local (C++)

5. 高级特性

线程池：预先创建一组工作线程，以便快速响应任务请求而不必频繁创建和销毁线程。

示例： C++ 中可以通过第三方库如Boost实现。

并发容器：线程安全的数据结构，例如队列、堆栈、哈希表等。

示例：std::shared_timed_mutex, concurrent_queue (Intel TBB)

原子操作：提供无锁编程的支持，保证某些操作的原子性。

示例：std::atomic (C++)

6. 工具和辅助函数

当前线程信息：获取当前线程ID等信息。

示例：pthread_self(), std::this_thread::get_id()

线程调度：调整线程优先级或让出CPU给其他线程。

示例：sched_yield(), std::this_thread::yield()

简单验证线程的独立栈空间

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;
#include<string>

void* newthreadRun(void* args)
{
    std:string threadname=(char*)args;
    int cnt=5;
    while(true)
    {
       std::cout<<"I am "<<threadname<<",cnt: "<<cnt<<", &cnt: "<<&cnt<<std::endl;
       cnt--;
       sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;

    pthread_create(&tid1,nullptr,newthreadRun,(void*)"thread-1");   
    pthread_create(&tid2,nullptr,newthreadRun,(void*)"thread-2");

    pthread_join(tid2,nullptr);
    pthread_join(tid1,nullptr);

    return 0;
}