线程 | 一隅

最后他的身躯一点点消散，留下了苍老的浮云和涛声，而他的血管，业已成为那条河的支流。

基本介绍

定义

线程是CPU进行调度和分配的基本方式，一个CPU在一个时间只能运行一个线程。我们要注意程序为何要设计成多线程的，在一开始CPU都是单核的，其实这种情况下程序执行的最快的方式就是单核单线程，但是这样会带来并发问题，例如当处理IO时，如果只是单线程的，就会导致阻塞，此时CPU无事可做，所以我们开始将程序设计为多线程，从而实现并发。给我们一种错觉，就是同一时间有多个程序在执行。

线程的特点及优点

特点

线程是轻量化的进程，其特点为：

共享代码、数据、文件和内存地址
独有寄存器（程序计数器）和栈空间，因为每个线程执行速度是不一样的

优点

单CPU

充分利用CPU，令$t_i$为线程1的空闲时间，$t_s$为上下文切换时间，那么当满足下面公式时，进行多线程可以提高CPU利用率。一般来说，线程切换比进程切换开销小很多。

$t_i>2t_s$

多CPU

加速
专业化，每个线程做特定的工作，也可以保证hot cache

支持线程机制的要素

thread data struct：和PCB一样，用于对线程进行描述。
创建和管理线程的机制
多线程合作的机制：由于多线程共享内存地址，所以会导致同步问题

Thread data structure

一个完善的线程数据结构应包括：线程ID、程序计数器、栈顶指针（SP）、栈段以及其他的一些关键属性。

线程创建和管理

fork

fork，创建一个线程而非进程，线程创建的同时，还会初始化线程数据结构。

join

当父线程t0对子线程t1调用join时，join(t1)，那么父线程会被阻塞，直到子线程返回。同时，join将会返回子线程的计算结果。

detach

一个detach的线程被创建后，父子线程是相互独立的。

线程创建的例子（伪代码）

Thread thread1;
Shared_list list;
thread1 = fork(safe_insert,4);
safe_insert(6);
join(thread1);   //这里join是一个非必须的语句，因为很有可能执行到这一步时，thread1已经执行完了，那么join会立刻返回

这个代码没有考虑线程调用顺序，因此会导致结果的不确定性。

内核态和用户态线程

内核态和用户态中都可以有线程。内核态的线程可以由内核访问和管理。调度器会决定哪个线程运行在哪个CPU上。一些内核线程可能在支持用户态线程的工作，另一些可能在执行一些内核的工作。一个用户态线程必须和一个内核线程关联后，才能被正确调度和运行。本节将针对内核态和用户态线程的调度模型进行总结。

内核线程与用户线程的区别

内核线程只运行在内核态，而用户线程可以运行在用户态，也可以运行在内核态（系统调用时）
内核线程一般作为守护线程，执行一些诸如页表换入换出、脏页回写、软中断处理等操作
内核线程也会参与调度，每个CPU上有一个IDLE线程，实际是一个优先级最低的内核线程，实在没有任务了就执行这个
init是所有用户进程的祖先，而kthreadd是所有内核线程的祖先

用户态多线程模型

一一对应模型

在该模型中，一个用户态线程和一个内核态线程是一一对应的关系。当一个用户态线程被创建后，就会有一个新创建或已经存在的内核线程和其一一对应。

优点

并发性好，内核可以知道用户到底有多少个线程，从而可以动态调整内核线程数目和用户态进程中的多线程相匹配

缺点

必须在操作系统中完成所有操作，而且要频繁在用户态和内核态切换，代价大。
只能依赖内核态的线程调度策略，这也限制了可移植性

多对一模型

在该模型中，多个用户态线程和一个内核态线程对应，由用户指定调度策略，指定规定时间哪个线程和内核态线程对应

优点

可移植性强，不依赖内核态线程调度策略

缺点

由于没有用到内核线程的特性，所以操作系统对于用户的多线程程序基本上没太多帮助，操作系统也不知道用户到底有几个线程
一个用户线程的阻塞将会导致整个进程的阻塞

多对多模型

该模型是上面两种模型的综合，一些线程一一对应，另一些和内核多对一对应

优点

综合了上面两种的优点

缺点

对于内核和线程的管理更加复杂，需要一个专门的用户-内核态线程管理器

用户态和内核态线程调度

在用户态中，由一个用户层面的库对于一个进程中的线程进行管理，而在内核态中，由CPU调度器对内核态线程的调度和资源分配进行管理

Pthreads（Posix thread）

pthreads(Portable operating system interface)是Unix系统下常用的线程API，本节将针对pthreads的使用进行介绍。

创建

常用数据结构及API

创建thread对象

1 2	//-----------------------thread对象 pthread_t aThread; //type of thread

创建线程

int pthread_create(pthread_t *thread,
                   const pthread_attr_t *attr,    //设置线程属性，例如栈大小、优先级、调度策略、是否可join
                   void * (*start_routine)(void *),
                   void *arg);    //函数输入参数

返回值表示是否创建成功，可以根据attr设置创建线程的属性。

join

int pthread_join(pthread_t thread, 
                 void **status);

// status将会捕获子进程返回信息和结果

返回值表示join是否成功

detach

// 方式1
int pthread_detach();

//方式2
pthread_attr_setdetachstate(attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(..., attr, ...);

exit

1	int pthread_exit();

设置属性

//----------------------- attr 处理
int pthread_attr_init(pthread_attr_t* atrr);     //创建attr
int pthread_attr_destory(pthread_attr_t* atrr);  //销毁attr
int pthread_attr_{get/set}();                    //获得/设置

例子：创建多线程程序

无参数线程函数

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *foo (void ar){
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void){
    int i;
    pthread_t tid;
    
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);   // 设置调度方式和系统相同
    pthread_create(NULL, &attr, foo, NULL);
    
    return 0;
}

编译过程为：gcc -o main main.c -lpthread

有参数线程函数

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *threadFun (void *pArg){
    int *p = (int*) pArg;
    int myNum = *p;
    printf("%d", myNum);
    return 0;
}

int main(void){
    int i = 5;
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, threadFun, &i);  // Input parameter
    
    return 0;
}

Mutex

pthreads 对于锁的使用如下所示：

pthread_mutex_t aMutex;   //创建锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);  //初始化

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);  //上锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);//解锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t* mutex);   //尝试上锁，如果不成功，不会阻塞当前线程

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t* mutex);//销毁锁

注意：Mutex不能用在中断场景下，因为会引起睡眠

条件变量

pthread_cond_t aCond; //创建

//--------------------------- wait
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t *mutex);

//--------------------------- notify
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond);

int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond, const pthread_condattr_t *attr);  //初始化
int pthread_cond_destory(pthread_cond_t* mutex);//销毁锁

Linux下线程的实现

共享与独占资源

在linux下的线程中，会有自身独有和共享的资源，这里对这些资源进行一个总结，其中，共享的资源包括：

虚拟内存映射
进程基础信息
一些数据
打开的文件
信号处理
当前工作目录
用户和用户组属性
……

独占的资源包括：

线程ID
一系列寄存器
栈
错误码
信号掩码
线程优先级
……

进程与线程的联系与区别

联系

线程实际上是将进程的指令执行流部分进行了剥离，进程负责资源调度，而具体指令执行交给了线程，两者的关系可以用下面的图进行概括：

图片名称

可以看的线程是有自己独立的堆栈和SP指针，以及相应的寄存器等。所以线程实际就是进程减去资源共享

区别

进程是操作系统进行资源分配的最小单位，而线程是CPU进行任务调度的最小单位。一个进程至少包含一个线程
进程有独立的地址空间，每次启动一个进程，系统会分配地址空间，同时建立数据表维护代码、数据、堆栈段，开销很大。而线程共享代码段（代码与常量）、数据段（全局变量与静态变量）和堆段，开销小很多，但是每个线程有自己的栈段（局部变量和临时变量）。创建与切换线程的开销比创建切换线程大很多。
线程间通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，进程间通信需要以通信方式进行，但是多线程需要处理好同步与互斥。
多进程程序更健壮，一个进程的消亡不会影响另外的进程；而多线程的程序有一个线程死掉，整个进程就会死掉。

参考文献

1.深入理解Linux内核之内核线程（上） ↩