【Linux】线程id与互斥（线程三）

上一期我们进行了线程控制的了解与相关操作，但是仍旧有一些问题没有解决
本章第一阶段就是解决tid的问题，第二阶段是进行模拟一个简易线程库（为了加深对于C++库封装linux原生线程的理解），第三阶段就是互斥。

线程id：

LWP与tid：

我们还是先来写一段简单的代码进行验证一下LWP与线程id的关系。

代码：

验证结果：

足以观察到LWP与tid的差距是非常大的。

这说明给用户提供的线程id并不是内核中的LWP，而是自己维护的一个唯一值。
自己就是pthread库。

虽然刚开始觉得不符合常理，但仔细想一想而本该如此：
因为linux并没有线程，但是我们用户需要线程的概念，所以pthread库充当了一个中间角色，封装linux中的轻量级进程，因此，并不需要呈现给用户LWP的值，给用户呈现自己封装的线程id即可。就像C语言中的FILE，我们直接用库封装好的，并不需要在使用文件描述符fd了，也不需要展现给用户。

因为库提供了线程id，所以库也要对pthread进行管理，怎么理解呢？
可以理解为学校给你提供了学号，所以学校要对你进行管理。

我们的linux肯定提供了轻量级进程的调度系统调用，但是一个线程不仅仅需要被调度，也需要一个id，栈大小，被谁启动…这些属性也是由库做管理的！

针对管理我们要展开一下。

动态库的加载：

那就要先看一下线程库的加载，首先动态库和我们的程序肯定都是在磁盘上的文件。

当我们./运行时，会建立内核数据结构 + 加载数据与代码。

当我们执行到pthread_create时，因为我们还未加载动态库，会触发缺页中断，去加载动态库，再将动态库映射到共享区。

此时我们就可以正常去执行我们的pthread_create去创建线程了。

而我们也说过库需要对我们的线程id，栈的大小…进行维护，也就是进行管理

而管理就需要对该对象进行描述再进行组织，下图就是描述他的结构体pthread_t。
其中的struct pthread是用户最基本的线程属性，线程局部存储我们稍后再来进行讲解。而编程栈就是我们常说的每个线程都有一个独立的线程栈！

组织我们可以看成是使用一个数组进行组织起来的。

线程id：

所以以后想找线程属性，拥有地址即可进行管理，而我们的tid就是相应的pthread_t的地址。

如何理解维护在库中：

我们还是以FILE进行举例。
我们的FILE是一个结构体：

struct FILE
{int fd;char buff[N];...
}

我们打开一个文件会得到一个FILE的指针。

而这个FILE结构体指针就维护在标准库中，进入这个函数时，会执行malloc(sizeof(struct FILE))类似的代码在堆上申请空间，等执行完之后返回给用户FILE*，让用户进行操控。所以我们也就可以理解维护在库中了。

就像我们使用STL中的各种容器，不需要管底层是如何扩容的。

再次感受一下pthread_join（）：

所以我们也就理解了pthread_create时的attr
这就是用来控制pthread_t的属性，比如控制栈的大小…

总结：linux线程 = pthread库 + LWP，其中内核维护的LWP与动态库中维护的线程是1：1的。

但是同学们，我们该如何保障新线程轻量级进程会使用你指定的栈？
因为我们的轻量级进程中有一个系统调用：clone。

第一个是回调函数，第二个就是指定的栈，第三个是参数，所以pthread库本质就是对这样的一堆系统调用进行封装。

线程局部存储：

现在还剩最后一个问题，线程局部存储是啥？
我们先来看这样一段代码：
搞一个全局变量，新线程改，主线程读取。

现象： 一改具改，符合预期。

但是如果我们想要互相不影响，也就是新主线程虽然用同一个全局变量名字，但是实际却是两个地址。
我们可以加入编译选项__thread
注意：这个只可以修饰全局的内置类型。

现象：可以看到虚拟地址也不相同。

结论：虽然看起来还是用一个，但实际上各自私有一份

封装线程库：

本质是为了更好的理解C++11是如何进行封装的。

我们的目标是实现如下几个接口：

也可以在来一个GetStatus，调用可以观察到此线程是否正在运行。

封装：

先来解释一下成员变量，_name就是线程名字，_tid是线程id，_func是用户传递来的要执行的函数，_isRunning是代表当前线程是否在运行。

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在实现时有两个的坑点。
其一：因为我们是进行封装，所以是在类中实现。
但是我们将routine写出了之后却找不到对应routine，这是因为类中的成员默认有隐含的this指针，所以参数的个数就不匹配了。

解决这种问题的办法很多，但我们最喜欢用static进行修饰，这样就不会有this指针了，这个函数属于整个类。

可是这样我们就无法访问类中的成员变量了，因为没有this指针~

那怎么办？
把this指针当做参数传给routine！

这样就可以调用外部给我们传的指定函数了。
可是这样调用未免有些丑陋。

在将stop，join进行填补即可，注意，我们的构造函数需要一个你指定的名字和待执行函数。

主函数代码：

现象：

也是完成了我们预期的工作。

源代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>namespace cyc
{class mythread{public:typedef void (*func_t)(std::string);mythread(const std::string &name, func_t func) : _name(name), _func(func), _isRunning(false){}~mythread(){}void Excute(){_isRunning = true;_func(_name);_isRunning = false;}static void *routine(void *arg){mythread *self = static_cast<mythread *>(arg);self->Excute();return nullptr;}void Start(){int n = ::pthread_create(&_tid, nullptr, routine, (void *)this);if (n != 0){perror("pthread_create fail");exit(1);}}void Stop(){if (_isRunning){pthread_cancel(_tid);_isRunning = false;}}void Join(){int n = pthread_join(_tid, nullptr);if (n != 0){perror("pthread_join fail");exit(1);}}std::string GetStatus(){if(_isRunning) return "Running";else return "sleeping";}private:std::string _name;pthread_t _tid;func_t _func;bool _isRunning;};
}

于是我们就完成了一个很简易的封装~

互斥：

多个线程能够看到的资源叫做共享资源。
但是也会有一些问题，比如我们线程通信，一个线程想写hello world，但是刚写了hello就被另一个进程独走了，叫做读写不一致，
所以我们需要对共享资源做保护。

其中最简单的方法是互斥。

但是我们总要先见一见吧。
我们模拟一个抢票的代码，假设一共有1w张票，创建4哥线程同时去抢，每抢一次记录一下抢之前的票数，当票数<=0就是出现了问题。

我们就是用刚刚模拟实现的线程进行操作。
代码：

现象：

果然出现了0甚至负数，这就证明我们的抢票提供非常的失败~

可是原理是什么呢？

首先我们要有两个储备知识。
其一是判断也是一种运算，为逻辑运算。
一共有两种运算，分别为算术运算与逻辑运算，简称算罗运算。

其二是线程的切换，CPU内寄存器只有一套，但是拥有的数据有多套。切换时带走自己的数据，回来时会回复！

对于1来说，逻辑判断至少分为3步，虽然语法上表现为3步，但是实际转换到汇编有2-3步。
我们假设线程1在还有最后一张票时进入，已经判断完毕了，但是此时tickets还没进行--，这时时间片到了，线程1被切换，带走了当前寄存器的值与记录执行到的语句。同理2，3，4也都分别执行完判断语句就被切换这就有很大的问题了。

因为只有一张票却有4个线程进入了，等线程a，b，c，d分别恢复时将数据又放回到寄存器中。
注意：进行--时需要将数据重读，修改，在放回内存中这三步

所以票数就变为0，-1，-2…

下章继续~