【Linux】————多线程（概念及控制）

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本篇博客专栏：Linux

创作时间：2024年11月19日

再谈地址空间：

OS对内存进行管理不是根据字节为单位，以字节为单位效率过低，是以内存块为单位的，一个内存块的大小一般为4kb，系统和磁盘IO的基本单位是4kb--8个扇区

文件在磁盘中存储的时候都是有自己的datablock的，每个datablock的大小都是4kb，所以内存管理时，加载就是把程序的数据块加载到指定的内存块中。

为了方便进行表述，4kb的空间+内容有一个名字，叫页框或页帖，在内核中有一个struct page来管理每一个页框，内存看成是数组，第一个page的起始地址就是数组下标，*4==0 ，第二个page的起始地址是数组下标*4==4。所以每个page都有了下标。

那我们之前所说的虚拟地址到底是如何转化成物理地址的呢？

虚拟地址的前十个比特位索引页目录，中间十个比特位索引页表，页表指向对应页框的起始地址，虚拟地址的低12位+页框的起始地址就能找到页框内的任意一个字节了。

这种页表也叫二级页表，用来搜索页框。

虚拟地址本质是一种资源。

线程概念：

在一个程序里的一个执行路线叫做线程，更正确的定义是：线程是一个进程内部的控制序列
一切进程至少有一个执行线程
线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行
在Linux系统中，在CPU眼里，看到的PCB都要比传统的进程更加轻量化
透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程合理的分配给每一个执行流，就形成了线程执行流

线程：在进程内部运行，是CPU调度的基本单位

进程：承担分配系统资源的基本实体

我们以前讲的都是进程内部只有一个执行流的进程，Windows系统里有struct tcb结构体描述线程，Linux系统选择复用struct pcb结构体。所以Linux是用进程模拟的线程。

Linux中CPU不区分task_struct 是进程还是线程，都看做执行流。

CPU看到的执行流<=进程。

Linux中的执行流叫：轻量级进程。

创建进程初识：

这个函数的功能是创建一个新的线程：

参数

thread:返回的线程ID
attr:设置线程的属性，attr为nullptr为使用默认属性
start_routine:这是一个函数指针，线程启动后要执行的函数，返回值类型为void*,参数类型为void*
arg:传给线程启动函数的参数

返回值：成功返回0 失败返回错误码

看一下我们的代码：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void *routine(void *args)
{
    while (true)
    {
        std::cout << "new thread runing...." << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, routine, (void *)"pthread-1");
    while (true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "main thread runing..." << std::endl;
    }

    return 0;
}
这里我们记得不可以直接编译，直接编译会出现说直接创建线程是未定义的行为，所以我们要在Makefile中加上

才可以

这个操作的意思是在编译时引入pthread库

运行之后看到：

运行程序，因为主次线程里都是死循环打印，结果主次线程都有打印，说明有多执行流，即线程创建成功了。

打印出他们的pid，可以看到主次线程的pid都是一样的，因为这两个线程他们都属于同一个进程内部，所以对应的进程pid是一样的。

如果想查看线程，可以通过指令 ps -aL 。他们的pid都是一样的。LWP就是Light Weight Process，即轻量级进程，就是线程的id。

我们把pid和lwp都相等的执行流叫主线程。

线程的优点

创建一个新线程比创建一个新进程代价要小很多
与进程之间的切换相比，线程之间的切换OS要做的工作要少很多
线程占用的资源比进程少很多
线程能充分利用好多处理器的可并行数量
在等待慢速IO结束的同时，线程可以进行其他工作
计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将线程分解到多个线程中实现
IO密集型应用，为了提高性能，将IO操作重叠，线程可以同时等待不同的IO操作

线程的缺点

性能损失
健壮性降低
编写多线程的程序需要我们更全方面的考虑，在一个多线程程序里，因事件分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成影响的可能是很大的，换句话说就是线程之间缺乏保护(多线程程序，其中一个线程出了问题，全部线程都会出问题)
缺乏访问控制

线程异常

单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃
线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出

Linux进程vs线程

进程是资源分配的基本单位
线程是调度的基本单位但也拥有自己的一部分数据

线程ID
一组寄存器（重要）
栈（重要）(线程运行的时候，会形成各种临时变量，临时变量会被每个线程保存在自己的栈区)
errno
信号屏蔽字
调度优先级

进程中的多个线程共享一个地址空间，除此之外，各线程还共享以下的进程资源和环境

文件描述符表
每种信号的处理方式(SIG_ IGN、SIG_ DFL或者自定义的信号处理函数)
当前工作目录
用户id和组id

进程和线程的关系图如下：

Linux线程控制

POSIX线程库

与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以“pthread_”打头的
要使用这些函数库，要通过引入头文件<pthread.h>
链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项

创建线程

前面已经简单介绍了pthread_create的使用。在创建完成后，主线程会继续向下执行代码，新线程会去执行参数3所指向的函数。此时执行流就一分为二了。

线程等待

功能：等待线程结束

参数：

thread：线程ID

retval：它指向一个指针，指向线程的返回值(输出型参数)

参数2的类型是void**，用来接收新线程函数的返回值，因为新线程函数的返回值类型是void*。未来要拿到新线程的返回值void*,放到void* retval中时，这里的参数就得传&retval。

返回值：成功返回0；失败返回错误码

这是线程等待的演示代码，下面是结果：

如上图，为pthread_create和pthread_join的简单使用。pthread_t类型由库提供。主线程和新线程谁先运行，这是不确定的。

我们把tid以字符串的形式打印出来，发现是一个虚拟地址，他跟线程id不一样。

线程函数传参

线程函数传参，可以传任意类型，一定要记住还可以传类对象的地址。有了这个，就意味着可以给线程传递多个参数，甚至方法了。

上面的td对象是在主线程的栈上的，新线程访问了主线程栈上的临时变量，我们不推荐这种做法。因为如果main函数有第二个对象，他们在读取时没有影响，但其中一个对象在修改时，另一个也会跟着修改。推荐做法如下图：

我们建议在堆上申请一段空间，未来需要第二个对象时，再重新new一个对象，这样多线程就不会互相干扰了。

创建多线程

完整代码：

const int num=10;
 
void* threadrun(void* args)
{
    std::string name=static_cast<const char*>(args);
    while(true)
    {
        std::cout<<name<<" is running "<<std::endl;
        sleep(1);
        break;
    }
    return args;
}
 
int main()
{
 
 
    std::vector<pthread_t> tids;
    for(int i=0;i<num;i++)
    {
        //1.线程的id
        pthread_t tid;
        //2.线程的名字
        char* name=new char[128];
        snprintf(name,128,"thread-%d",i+1);
        pthread_create(&tid,nullptr,threadrun,name);
 
        //3.保存所有线程的id信息
        tids.push_back(tid);
        //tids.emplace_back(tid);
    }
 
    for(auto tid:tids)
    {
        void* name=nullptr;
        pthread_join(tid,&name);
        // std::cout<<PrintToHex(tid)<<"quit ..."<<std::endl;
        std::cout<<(const char* )name<<" quit..."<<std::endl;
        delete (const char* )name;
    }
    return 0;
}

运行结果为什么线程名是乱的？因为即使我们的线程是按顺序创建的，但他们不是按顺序启动的。而且上面的name，属于main函数栈上的空间，即main函数栈空间上的公共区传给了每一个线程，所以线程名会被不断覆盖。所以上面这么写是有问题的，要在堆在开辟空间。

线程终止

运行后，发现主线程没有打印quit语句。因为exit是专门用来终止进程的，不能用来终止线程。任意一个线程调用exit，都可能会导致进程退出。

除了用return结束线程，pthread_exit是专门用来终止一个线程的，使用如下图：

下面是终止线程的另一种方法:

主线程调用pthread_cancel取消新线程。取消一个线程的前提是线程得存在。

线程取消一个就join一个。由上图可知，线程被取消后，线程的退出结果是-1。

-1对应pthread库中的一个宏

分离线程

作用：哪个线程调用该接口，就返回他自己的线程id。相当于以前的getpid。

void* threadrun(void* args)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    std::string name=static_cast<const char*>(args);
    while(true)
    {
        std::cout<<name<<" is running "<<std::endl;
        sleep(3);
        break;
    }
    pthread_exit(args);//专门终止一个线程
}
 
int main()
{
    std::vector<pthread_t> tids;
    for(int i=0;i<num;i++)
    {
        //1.线程的id
        pthread_t tid;
        //2.线程的名字
        char* name=new char[128];
        snprintf(name,128,"thread-%d",i+1);
        pthread_create(&tid,nullptr,threadrun,name);
 
        tids.emplace_back(tid);
    }
 
 
    for(auto tid:tids)
    {
        void* result=nullptr; //线程被取消，线程的退出结果是-1
        int n=pthread_join(tid,&result);   
        std::cout<<(long long int)result<<" quit... ,n: "<<n<<std::endl;
    }
    return 0;
}

运行上面代码，程序直接挂掉了。因为新线程已经分离，主线程不会卡在join，而是会继续往后走，主线程结束了，整个进程就结束了，新线程可能还没起来就死亡了。

所以分离线程后，主线程就可以做自己的事了，不用管新线程。

即使新线程分离，只要分离的线程异常了，还是会影响整个进程。

除了可以让新线程自己分离，也可以由主线程进行分离。

C++11使用多线程

C++11里使用多线程，创建时是支持可变参数的。大致用法跟前文讲的差不多。

我们把makefile文件里的 -lpthread 去掉然后编译。

编译后，报错了，链接时报错。所以C++语言在Linux中要编译支持多线程，也要加 -lpthread。

C++11的多线程本质：就是对原生线程库接口的封装。

Linux中，C++11要支持多线程，底层必须封装Linux环境的pthread库，编译的时候都得带。

在Windows下要编译多线程程序不用带-lpthread。