Linux：线程的概念

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前言

本文是对于线程概念的知识总结

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一、线程的概念

在课本上，线程是比进程更轻量级的一种指向流 或 线程是在进程内部执行的一种执行流。
我们再提出两个理解，线程是CPU调度的基本单位 / 进程是承担系统资源的基本实体。
先记住上面的结论
我们知道，进程 = 内核数据结构 + 代码和数据构成的。

CPU要调度进程，就要有运行队列，而运行队列中排队的就是pcb。CPU通过这些pcb，找到对应的地址空间，进而通过地址空间中的虚拟地址，在页表中映射物理地址，从而找到对应的代码和数据。那么，我们是不是可以将地址空间理解为进程的资源窗口，毕竟进程想要访问正文代码，数据，new和malloc的空间，共享库，栈上的临时数据，命令行参数和环境变量等都是通过地址空间来进行的。

那么，我们如果要创建进程，就要创建对应的pcb，地址空间，将磁盘中的代码和数据加载进内存，再将地址空间中的虚拟地址与物理地址映射构成页表，打开stdin，stdout，stderr构建文件资源描述表，初始化信号处理过程等，这样看来进程创建的成本还挺高的。那为了减少成本，我们能不能在进程内部，再创建多个pcb指向该进程的地址空间，将代码分成多个，并将私有的数据，使每个pcb各自私有一份，可以共享的数据就共享。当CPU来调度其中一个pcb时，其只会运行该进程的一部分代码和一部分数据。我们就可以将这种比以往进程更轻(创建成本)的东西，称为线程。

在linux程序员看来，描述线程的结构体(TCB Thread control block ) 中属性在pcb中都有。那如果我们把pcb来充当tcb，我们就可以把进程调度，切换的代码在线程级别复用起来，而不用再单独设计线程。也就说，以后再创建线程，只需要创建pcb，然后指向同一个进程地址空间，线程的管理就可以复用进程的管理代码。这就是linux中线程的实现方案。

那就有一个问题，在CPU看来，一个pcb到底是进程还是线程，或者说CPU要不要区分一个pcb是进程还是线程。答案很明显，CPU不需要区分进程和线程，CPU只需要根据pcb的地址空间来执行代码即可。也就是现在CPU拿到一个pcb，其执行流是小于等于进程的(当该进程内有多个pcb，其执行流小于进程；当该进程只有一个pcb，其执行流等于该进程)。那现在什么是进程？进程 = 该进程的所有pcb + 地址空间 + 页表 + 代码和数据。与以往进程的区别就是，现在进程内部有多个执行流，以前进程内部只有一个执行流。

红色框内的所有东西之和就是进程。
现在我们就可以理解进程是承担分配系统资源的基本实体，线程是参与资源分配。进程创建要申请系统资源，来创建一个pcb，地址空间，页表，代码和数据，线程创建就是创建一个pcb来分配该进程内部的资源(划分地址空间)。实际上，在linux中并没有真正意义的线程，只是用进程的数据结构来模拟的线程。这种描述执行流的pcb就是轻量级进程(LWP light wigth process 执行流小于等于进程)。那以后，CPU调度就不再是进程，而是一个一个的轻量级进程(pcb)，也就是线程是CPU调度的基本单位。

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线程比进程更轻量化的原因

• 线程创建销毁更简单，线程只需创建销毁一个pcb来参与资源的分配，而进程创建销毁不仅仅只需要一个pcb
• 线程在地址空间中运行
• 线程调度更简单；在同一进程内，线程之间切换是不需要更改地址空间和页表，只需要将运行中产生的临时数据进行切换即可，也就是只需切换少量的上下文数据。但这不是主要原因，在cpu内有一个大的存储空间cache用来进行数据的缓存(热数据)，cache在缓存中是以进程为单位的，那理论上，线程做切换，就不需要切换cache，着就是线程切换更简单。因为有局部性原理(如当前访问的代码附近的代码，有可能是下次要访问的代码)给预加载机制，提供理论基础，
  

线程代码的简单示例

经过上面的描述，我们已经对线程有了一定的理解，下面就让我们在代码层面上来看看。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>// 新线程
void *ThreadRountine(void *arg)
{const char *threadname = (const char *)arg;while (true){std::cout << "I am a new thread: " << threadname << ", pid: " << getpid() << std::endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRountine, (void*)"thread 1");// 主线程while (true){std::cout << "I am main thread" << ", pid: " << getpid() <<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

上面代码，我们创建了一个新线程，并让主线程和新线程都执行死循环。

不出所料，只有一个进程在执行，主线程和新线程都在执行，并且pid相同(在同一个进程内)。那如何查看线程呢？ ps -aL查看。

果然有两个线程，其中主线程的LWP 和 PID是相同的。在操作系统中，是通过LWP来识别不同的轻量级进程的。

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#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int gnt = 100;
// 新线程
void *ThreadRountine(void *arg)
{const char *threadname = (const char *)arg;while (true){std::cout << "I am a new thread: " << threadname << ", gnt = " << gnt << ", &gnt" << &gnt << std::endl;gnt--;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRountine, (void*)"thread 1");// 主线程while (true){std::cout << "I am main thread" << ", gnt = " << gnt << ", &gnt" << &gnt  <<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

上述代码，我们创建了两个线程，其中新线程式gnt–，两个线程都打印gnt的值和地址。


可以发现两个线程共享全局变量gnt。

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总结

以上就是我对于线程概念的理解和知识总结。