Linux相关概念和易错知识点（28）（线程控制、Linux下线程的底层）

目录

1.线程控制

（1）pthread和thread库

（2）线程的创建、等待和分离

①线程创建

②线程等待

③线程分离

④线程替换（不可行）

（3）线程的终止和取消

①线程终止

②线程取消

2.Linux下线程的底层

（1）线程ID

（2）资源划分和维护

①新线程栈的动态创建和销毁

②struct pthread的存储

③线性局部存储

④线性栈和mmap

（3）clone

（4）创建线程过程

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1.线程控制

（1）pthread和thread库

线程的使用需要pthread库，这是用户级别的、通用的、基于 POSIX 标准的线程库。这个库提供C语言接口，并且具备跨平台性。很明显，它基于操作系统底层的线程机制实现并进一步封装，向上提供了统一的接口。

pthread库的实现是glibc的一部分，所以pthread库是Linux系统自带的线程库。但由于线程库可能不是项目中必需的，而且有可能和其它库引发冲突，因此Linux有可能不会默认链接pthread动态库。如果要使用线程，必须编译时选择-lpthread（不需要选择查找目录、头文件位置，系统能找到）。

除此之外，C++11引入了<thread>，这是C++风格的线程实现，同样具有跨平台性。Linux下使用<thread>需要链接原生线程库-lpthread

（2）线程的创建、等待和分离

①线程创建

当创建成功时返回0，失败时返回错误码。

参数我们不关注第二个，默认填nullptr。第一个参数pthread_t是线程的id，用于唯一标识线程；第三个是让线程线程执行的函数（回调函数），该函数返回值为void*，参数为void*；第四个参数是传入该回调函数的参数。

下面是简单的使用

我们可以看到引用线程库后，就算还没有创建线程，主程序的代码执行可被认为是主线程，可以获取它的唯一标识pthread_t。虽然Linux下都是LWP，但在C语言上封装后就出现了线程的概念。

我们可以认为，线程的存在就是为了执行某一个函数，主线程的存在就是为了执行main函数（执行main函数的线程就是主线程），当main函数结束后代表主线程执行完毕，进而表示整个进程的结束。其余线程也都可以这么理解，它们的生命周期从开始执行函数为始，结束执行函数为终。

主线程也可以新建一个线程并让它运行代码。当主线程结束运行后，程序退出。

但这里有个问题：万一主线程比创建的线程更早结束，就会导致创建的线程没有完成任务。那应该怎么保证主线程在最后退出呢？sleep？这太难控制了，而且效率很低。

②线程等待

成功返回0，错误返回错误码。

假如thread1调用该join函数，其第一个参数是thread2，这就意味着thread1会阻塞在这个函数直到thread2结束，第二个参数是thread1接收thread2的返回值所用。

除此之外，join之后线程的资源（如线程的退出状态、栈等）将会被释放。如果不及时join，这些未释放的资源会一直保留在系统中，直到整个进程结束，就像僵尸进程占用系统资源一样。

下面是对刚才代码的修改

这样主线程就会在等待的线程退出后才退出，并且能够获取到子线程的函数返回值。要特别注意子线程的返回值要求为void*，参数为void*，必须完全对应才能编译通过。如果不对子线程的返回值感兴趣，可以传nullptr作为join函数的第二个参数。

线程等待类似回收僵尸进程，只要join对应线程的id，就算该线程已经结束了，也都能获取到该线程的返回值，并且这个返回值需要通过堆区创建空间。对于所有线程来说，堆区是共享的，谁拿着堆的入口地址，谁就能访问空间。

在线程中虽然名义上进程地址空间被划分给了不同线程，但线程之间可以互相访问，只要有地址。

join成功了，代表此刻数据一定处理完了，这样就可以放心执行后面的代码了。

③线程分离

join有个坏处，就是join的线程必须等待被join的线程执行完后才会继续执行代码，但有的时候线程要做自己的事情，比如主线程承担分配任务的使命。想要不阻塞在join函数，则要将目标线程设置为分离状态，即detach状态。

线程分离出对应的线程后join会失败，join的返回值不是0。之后该线程执行完毕后会自动释放空间，而不需要join。同时，除非极端情况，就算主线程走完了，分离的线程还能执行，进程会在分离线程执行完毕后回收，但要注意一些共享资源的访问问题，有可能分离线程会去访问已被释放的线程的资源。

④线程替换（不可行）

线程能不能程序替换？不可以。只有进程可以程序替换，进程替换会把代码数据全部替换，线程没这个能力，它不能对进程做出操作。但我们可以在线程里面fork，进一步实现程序替换。

（3）线程的终止和取消

①线程终止

主线程return表示整个进程结束，此刻所有线程也都会退出，不管是否执行完毕。新线程return表示该线程退出，其余线程不受影响。

但注意，任何线程在任何地方调用exit均表示进程退出，即所有线程都会终止。相对的，例如pthread_exit((void*)10)这种exit退出方式就相对温和，只是结束相应调用的线程并且交出返回值给等待它的线程，pthread_exit和return等价，平时就用return就好。

②线程取消

线程可以被取消，主线程可以在任何时候取消任何线程的执行，这是被动式退出，不由其它线程决定。

其参数就是被取消的线程id。取消成功返回0，失败返回错误码。

取消一个线程的前提是目标线程已经被启动了，即在create函数之后。但一般不推荐取消线程，因为对应线程的状态不清楚，处理的数据状态也不清楚，因此盲目取消会导致程序混乱。

注意，取消的线程依旧需要被join，这就相当于回收僵尸进程，被取消的线程会返回-1，该返回值其实是宏PTHREAD_CANCELED。

2.Linux下线程的底层

（1）线程ID

线程id（即pthread_t）是一个地址，这个地址本身也有唯一性。

pthread.so库加载到内存中，这个库被经过页表映射到共享区。创建线程的其实是在调用库方法，由于进程内的所有线程共享进程地址空间，因此它们都能执行库的其它方法。

Linux中严格上只有LWP，但用户要用线程，想要用线程接口（create、join等），想要线程的属性（线程的id、优先级、状态、栈大小等），怎么办呢？

用户不关心LWP的属性，他们只关心线程的属性，这就是pthread.so库单独提供的。pthread.so库要维护相关属性，要存储相应的结构体来存储相关属性。这和glibc维护FILE一样，所有文件的属性信息都是由glibc库来进行维护的，当要对某个文件进行操作时，都是调用glibc的函数对其维护下的结构体进行修改。注意，这些结构体由动态库维护（调用动态库的函数对这些结构体进行修改），其结构体的物理内存也在库的里面，下面的pthread.so也是如此。

pthread.so会维护该进程下所有线程的属性。对于一个线程来说，其属性的集合就相当于结构体TCB，线程的id、优先级、状态、栈大小、返回值都在里面保存着的。一般来说，所有线程的属性的结构体整体形成的是一个数组。既然线程属性保存在一个物理内存中，那么理所应当的，其线程id的值就是相应结构体的地址，也就是pthread_t类型，pthread_create的第一个参数获取的值。

我们后续就可以用TCB来描述个由pthread.so库维护的结构体，毕竟它是上层封装，和LWP有区别了。这个时候我们就能理解，为什么对线程操作，都需要传入线程id，本质上对线程的管理都是对维护线程属性的结构体的操作。

（2）资源划分和维护

①新线程栈的动态创建和销毁

当主线程开始执行时，它就会保证自己有一个栈，即主线程栈，这个栈通常是在程序启动时由操作系统预先分配好的，它的大小一般由操作系统和编译环境决定。当程序运行完毕后，这个栈才会销毁。这个栈的位置就在进程地址空间的栈区。

除此之外，其它所有子线程的栈都是动态创建的。为什么叫动态创建？只有当调用create函数，创建子线程时，这个栈才会被创建。同理，只要这个线程被join（或分离线程执行完毕），那么它的栈就会被销毁。因此，子线程栈的动态性在于它可以在程序运行途中创建和销毁，而主线程栈是一进程序就创建，结束才销毁。

②struct pthread的存储

struct pthread（TCB）被pthread.so库维护，就意味着从物理内存的角度上看，一个系统的所有线程的属性都存在pthread.so库的内部。当pthread.so被映射到虚拟内存中后，就存放有所有线程的TCB，当我们对某个线程进行操作时，都是对这个库中某个线程属性的修改。同理，FILE也是如此，glibc这个库中维护了整个系统所有的FILE结构体。

struct pthread里面主要含有两个属性，线性局部存储和线性栈的属性，除此之外还一定包括LWP的属性task_struct，就像FILE里面一定有文件描述符fd。

③线性局部存储

对于代码全局区的变量来说，每个线程都可修改它们的值，并且修改之后其它线程都能同时感受到这个变化。但有的时候我们不希望这样，这就要用到编译性关键字__thread，用它修饰变量后（如__thread int a = 10），每个线程都会独立地得到该数据，不会互相影响，这就叫线程局部存储。

线性局部存储的数据是线程私有的数据，错误码error的私有性质就是用线程局部存储实现的，这样就能正确标识每个线程的错误了，而不会相互影响。

__thread只能修饰内置类型，结构体不行。局部存储的变量会单独存到TCB的一个属性里，因此对一些高频访问效率较高，不用到线性栈里面去找。

④线性栈和mmap

后面会提到的mmap区域就是指的共享区。

前面已经说过主线程栈在栈区，可以动态增长。新线程的栈在共享区，也就是mmap区域被开辟，并且它有一个最大容量值，即最多开辟8MB（随系统，用完就没了，不像主线程栈可以向下增长），这些栈的起始地址、容量信息都会被存入线程的属性结构体TCB中。我们还应知道，mmap还是一个系统调用，充当开辟空间的作用，存在mmap区域的新线程栈就是由mmap系统调用申请的。malloc的底层也是mmap。

线程的栈区原则上是独立的，每个线程各自用各自的，但实际上是共享的，因为没有权限限制，加上所有线程看到的都是同一个进程地址空间，所以只要拿到别的线程的栈空间地址，就能访问。堆区、数据段同理。

到此我们可以总结一下，线性栈和线性局部存储都由struct pthread（TCB）管理，都存在共享区，其中栈是由mmap系统调用单独在mmap（共享）区开辟空间。这些TCB最终都由pthread.so维护，事实上，pthread.so维护了整个系统的线程属性struct pthread。

（3）clone

这个系统调用的几个参数需要声明

fn是函数入口地址，arg是函数的参数包，轻量级进程就会根据这两个参数执行对应函数。stack是LWP占用的独立的栈的地址，LWP会在指定栈保存变量。flags是标志位，区分不同的操作。

我们从参数就能理解，调用pthread_create就需要先后调用mmap、clone。先是由mmap开辟空间，更新TCB，再由clone来执行。在系统层这是新建了一个LWP并执行代码，而在用户层看来，这就是创建了一个新的线程。

我们还可以了解一下clone，它也是vfork和fork的底层调用，clone是更底层的系统调用，我们用户无法直接调用。

（4）创建线程过程

当程序开始运行时，主线程栈在栈区创建并向下增长。当要创建新线程时，会创建struct pthread，会调用系统调用mmap在mmap（共享）区域动态创建栈且栈的大小不可增长，之后由pthread.so维护的线程的属性struct pthread会进行更新，之后通过clone系统调用创建好一个LWP，并将pthread.so维护的struct pthread的地址返回给用户作为id。之后用户的所有操作本质都是调用pthread.so的函数对struct pthread的属性进行修改。