LInux-多线程基础概念

文章目录

前言
预备
- 页表详解
- - 缺页中断
  - 页表的映射
一、多线程是什么？
- 轻量级进程
二、Pthread库
- pthread_create

前言

从本章的多线程开始，我们开始进入Linux系统的尾声，所以，在学习多线程的过程中，我们也会逐步对之前的内容进行复习，以达到知识巩固的效果。

预备

页表详解

对于我们的已经被编译好的可执行程序，其实早已被按照区域被划分为了4KB为单位，我们称它为页帧。

而内存其实也是被划分为了4KB为单位，且内存的IO基本单位也是4KB，我们称内存这样被划分的区域称之为页框。

缺页中断

在程序刚开始被运行的时候，我们的数据刚开始都还在磁盘当中，这个时候我们页表所映射的其实是磁盘地址，如果用户这个时候访问一个还在磁盘中的数据，首先要经过页表，然后页表+MMU会发现该数据没有被加载到内存，就会发生缺页中断：先将磁盘的数据加载到内存，然后更改页表映射。

页表的映射

那么为什么页框和页帧为4KB呢？这就要详细讲解页表是如何映射的。

首先提出一个数学问题，如果只有一个页表单纯地去映射所有地址至少需要多少空间？

在32位系统中，一个地址要占32个bit位并且有多达2^32个地址。
这样计算下来，居然至少多达32GB。所以页表肯定不是这样映射的。
在这里插入图片描述

页表其实被是被划分为N级页表的，在32位系统中，有一级页表和二级页表。

其中一级页表映射后10位bit位，二级页表映射中间的10位bit位。
在这里插入图片描述
通过这样的方式，我们就可以完成页表的映射，我们再来计算一次采用这样的方案需要多少空间。

这个时候就是MB为单位了，内存存储几十MB还是没有问题的。

一、多线程是什么？

之前我们所学习的信号知识里面，我们了解到了一个进程是可以拥有多个执行流的概念。那么，一个进程拥有多个执行流有什么用呢？答案是可以提高程序的工作效率。

而在我们以往学习所写的代码程序，其实都是单进程单执行流程序。

那么多线程到底是什么？我们又该如何理解多线程？
在这里插入图片描述
线程在进程内部执行，在进程中的每一个执行流都是一个线程，其中一个进程的每个线程都共享且运行同一份地址空间，在上面的图中，我们可以将一个task_struct理解为一个线程。

对于CPU而言，它的基本调度单位是线程，它调度的其实是线程。

为什么这样工作效率更高？

首先毋庸置疑的，多执行流在CPU中运行肯定比单执行流效率更高。
第二，因为他们共享一部分数据，不像进程一样具有独立性，所以线程所占用的资源更少。
第三，CPU中有cache缓冲，它会根据局部性原理，会将可能用上的一部分内存数据（/4KB）都保存在CPU的cache区中，所以CPU调用多线程就会使得减少CPU的cache区频繁改变。

可以总结为

1.创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
2.与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
3.线程占用的资源要比进程少很多
4.能充分利用多处理器的可并行数量
5.在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
6.计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
7.I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

轻量级进程

需要注意的是，在Linux系统中，其实并没有真正的线程概念，像Windows其实才具有真正的线程，在Linux系统中，我们采用的是轻量级进程（LWP：Light Weight Process），相对于其他系统的进程内核数据结构更加轻量化，并且也能达到多线程的效果。
就像上图所展示的，CPU所调度的是task_struct，Linux操作系统并没有为线程写一个数据结构。

线程是OS调度的基本单位，进程是承担OS资源的基本实体。

二、Pthread库

pthread_create

pthread库是一个第三方库，我们可以用它库中的pthread_create函数来在Linux系统中创建多线程。

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
Compile and link with -pthread.

参数 pthread_t *thread 是一个输出型函数，用于输出它创建出的线程的线程id。

typedef unsigned long int pthread_t;

参数 const pthread_attr_t *attr，也是一个输出型函数，用于输出该线程的属性数据。

参数 void* (*start_routine)(void *)是一个函数指针，是一个回调函数。

参数 void* arg 用于传递给void* (*start_routine)(void *)的参数。

示例代码如下

#include <cstdio>
#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>


void *threadRun(void *args)
{
    const std::string name = (char*) args;
    while (1)
    {
        std::cout << name << " : pid " << getpid() << "\n" << std::endl;
        sleep(1);
    }

}
int main()
{
    char name[64];
    pthread_t tid[5];
    for (int n = 0; n < 5; n++)
    {
        snprintf(name, sizeof name, "%s-%d", "thread", n + 1);
        pthread_create(tid + n, nullptr, threadRun,(void*)name);
        sleep(3);
    }

    while(1)
    {
        std::cout << "Main thread : pid " << getpid() << std::endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}