Linux操作系统6- 线程1（线程基础，调用接口，线程优缺点）

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目录

一. Linux中的线程

1.1 线程的概念

1.2 OS管理线程的方式 

1.3 线程与进程

二. Linux中创建线程 ⭐

1.1 pthread_create系统调用

1.2 线程之间的资源共享

1.3 线程的私有资源⭐

三. 线程的优缺点 ⭐

3.1 线程的优点

3.2 线程的缺点 

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一. Linux中的线程

1.1 线程的概念

        进程是OS调度的基本单位，进程 = PCB + 进程对应数据与代码。而线程是进程内的一个执行流。

        对于一个进程来说，进程是通过虚拟内存与页表的映射来访问物理内存的。所以一个进程的虚拟内存决定了这个进程所拥有的资源。

        在linux中，对于一个进程，如果定义多个PCB指向同一个虚拟内存。让后让这些PCB指向不同的物理内存区域，这些PCB就是线程。

        通过虚拟内存和页表的映射，我们对一个进程的资源进行了划分，这样一来，单个PCB的粒度就比整个进程粒度低。

 关系如下图：

 

其中，所有的PCB + 进程虚拟内存 + 页表 + 进程对应数据代码 = 一个进程

              单个PCB + 单个PCB占用的虚拟内存 + 页表 + 线程对应数据代码 = 一个线程

1.2 OS管理线程的方式 

        OS通过PCB来管理进程，同样所有的线程也需要被OS管理。

        如果想要管理线程，首先需要设计特定的内核数据结构来表示线程对象，即设计一个TCB（线程控制块）。

        Windows就是这样设计线程的。不过需要重新设计一个内核数据结构太麻烦了！

         线程和进程有很多资源是一样的，比如id，状态，优先级，上下文，页表，虚拟内存，文件描述符...       

        因此Linux工程师使用直接复用进程的PCB，使用PCB来表示线程。而cpu只关心PCB不关心你是线程还是进程。

        所以，线程在进程的地址空间中运行，拥有该进程一部分虚拟内存和资源。

1.3 线程与进程

        进程是承担系统分配资源的基本单位（PCB，虚拟内存，页表，代码和数据等资源）

        而线程是CPU调度的基本单位，在linux中称为轻量级进程\

总结：

1 在Linux中，没有严格的线程，只有轻量级进程，使用进程来模拟线程。

2 线程是cpu调度的基本单位，进程是系统分配资源的基本单位

        linux使用轻量级进程模拟线程的好处：降低维护成本，提高效率

        linux使用轻量级进程模型线程的坏处：用户只认线程，不认进程，所以linux需要为轻量级进程和线程之间提供线程库

二. Linux中创建线程 ⭐

1.1 pthread_create系统调用

        使用man手册查看如下：

可以看到，使用这个接口需要在编译的时候带上参数 -pthread

//头文件
#include <pthread.h>
//库名称
pthreadint pthread_creat(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void* (*start_routine)(void*), void *arg)//参数说明
thread    用于定义线程tid的地址，是输入输出型参数，调用后tid获取线程的id
attr      用于控制线程的属性，我们一般设置为0.表示默认属性
start_routine    线程运行函数的指针，即线程的执行流函数。调用后线程就执行该函数内部的代码
arg       线程函数start_routine的参数

测试代码：

makefile文件

test:test.cppg++ -o $@ $^ -lpthread -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -rf test

        在Linux中，使用线程必须要使用-l pthread用于链接原生线程库

test.cpp

#include <iostream>#include <unistd.h>
#include <pthread.h>void *start_routine(void *args)
{const char *name = static_cast<const char *>(args);while (true){std::cout << "我是新线程,我的名字是" << name << "pid为:" << getpid() << std::endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;                                                       // 定义线程tidpthread_create(&tid, nullptr, start_routine, (void *)"I am thread"); // 创建线程while (true){std::cout << "我是主线程,我的pid为:" << getpid() << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

测试结果如下：

        可以看到，主线程和新线程是并发执行的。

        并且使用 ps axj 命令查看只有一个test进程，二使用 ps -aL查看线程可以看到test进程内有两个线程，它们的pid是由于的而LWP是不一样的！

        CPU调度的时候，使用LWP来标识每一个线程。并且以进程中的主线程的LWP就是这个进程的pid。

1.2 线程之间的资源共享

        线程被创建后，会共享全局变量，函数等资源。

测试代码:

#include <iostream>#include <unistd.h>
#include <pthread.h>// 全局变量
std::string name = "线程基础";// 全局函数
inline void f()
{std::cout << "调用全局函数" << " 读取全局变量:" << name << std::endl;
}void *start_routine(void *args)
{const char *name = static_cast<const char *>(args);while (true){std::cout << "我是新线程,我的名字是" << name << "pid为:" << getpid();f();sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;                                                       // 定义线程tidpthread_create(&tid, nullptr, start_routine, (void *)"I am thread"); // 创建线程while (true){std::cout << "我是主线程,我的pid为:" << getpid();f();sleep(1);}return 0;
}

测试结果：

可以说明：线程能够调用全局函数，也可以读写全局变量。这说明两个线程之间如果想要进行通信是非常简单的。不像进程间通信需要通过OS创建资源，然后让两个进程看到同一份资源

 线程之间共享 虚拟内存的代码区，全局变量区，堆区，文件，信号处理

1.3 线程的私有资源⭐

        线程之间共享全局资源，每一个线程也有着自己独立的资源。

1 线程是CUP调度的基本单位，每一个线程有着自己的PCB，有自己独立的id，优先级

2 线程有着自己的上下文结构，这体现线程切换的动态属性。上下文是指线程切换的时候，cpu寄存器中的值，PCB的状态，PCB对应的堆栈结构。

3 每一个线程都有自己独立的栈结构。这个栈结构位于共享区

三. 线程的优缺点 ⭐

3.1 线程的优点

        1 线程的创建消耗比进程低很多

        2 线程切换与进程切换相比，需要OS工作更少，消耗低

为什么线程切换比进程切换开销小？

        1 进程切换需要切换进程的虚拟内存，页表，切换所有的PCB和上下文

        2 线程切换只需要切换一个PCB和线程自己的上下文

        3 线程切换不太用更新catch，进程切换需要更新所有的catch。catch是高速缓存，CPU通过catch与内存交流，一个稳定的进程，会缓存很多热点数据，这样一来，catch的命中率高，线程切换不怎么影响catch的命中率。

        如果切换了进程，需要全部更新catch，这个需要消耗较多的时间

3.2 线程的缺点 

        1 如果创建的线程过多，会造成一定的性能损失

        2 线程会导致代码的健壮性降低，因为一个线程异常退出了，会导致整个进程退出，线程崩溃了，整个进程会崩溃

        3 线程之间共享资源，需要考虑访问控制和同步互斥问题