【Linux】线程、线程控制、地址空间布局

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  • 1、Linux线程
    • 1.1 线程的优缺点
    • 1.2 线程异常和用途
    • 1.3 线程等待
    • 1.3 线程终止
    • 1.4 线程分离
    • 1.5 线程ID和地址空间布局
    • 1.6 线程栈

1、Linux线程

  • 进程是一个执行起来的程序，进程 = 内核数据结构 + 代码和数据。进程是承担分配系统资源的实体。
  • 线程是执行流，执行粒度比进程更细，是进程内部的一个执行分支。线程是OS调度的基本单位。

进程是承担分配系统资源的基本实体，线程不参与分配，只需要划分进程的资源就可。新线程和主线程谁先运行，是不确定的。线程创建出来，要对进程的时间片进程瓜分。
也就是说进程执行的任务还要被细分成几份给更小的线程去执行，可以想象到线程除了执行粒度比进程更细之外大致相似，也就是说OS也要像管理进程一样管理线程，如果用像管理进程一样的方法管理线程，那么就太复杂了。

Linux执行流，统一称为轻量级进程（LWP），Linux中没有真正意义上的线程，Linux线程概念使用LWP模拟实现。

在这里插入图片描述

//新线程
void *run(void *args)
{
   while (true)
   {
       cout << "new thread, pid : " << getpid() << endl;
       sleep(1);
   }
   return nullptr;
}

int main()
{
   cout << "I am a process, pid : " << getpid() << endl;
   pthread_t tid;
   pthread_create(&tid, nullptr, run, (void*)"thread_1");

   //主线程
   while (true)
   {
       cout << "main thread, pid : " << getpid() << endl;
       sleep(1);
   }
   return 0;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

虚拟内存可以将不连续的物理内存通过映射转化为连续的。当我们讨论虚拟地址到物理地址转换的时候，页表的映射关系已经在加载的时候关联好了。虚拟地址到物理地址转换的过程，是硬件（MMU）自动完成的。

：》如何理解进程划分资源给线程，如何做到？需要刻意做吗？
线程执行不同的入口函数，就拥有了这个函数的地址，资源自然而然就被划分好了。

虚拟地址和物理地址如何转换：

在这里插入图片描述

页表可以看作一个简单的数组，前20位用来映射物理地址，后12位作为标记位。

：》所以我们怎么知道当前内存是否被使用呢？
通过页表的映射我们可以得到页框的起始地址，在用起始地址除以4KB，就得到了管理物理内存数组的下标，通过下标也就找到了管理这个内存的信息。

缺页中断：当程序代码量大时只加载部分代码，执行完这部分代码后再往后执行就会在页表的标记位（是否命中）中发现错误，CPU出错触发软中断，发送信号，OS对这个信号的处理就是加载剩余代码，这个过程就是缺页中断。

1.1 线程的优缺点

| 线程优点：

  1. 创建一个线程的代价比创建一个进程的代价小的多。

  2. 与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要OS做的工作要少很多。

    • 最主要的区别是线程的切换虚拟内存空间依然是不变的，而进程切换会改变，这两种切换都是操作系统内核完成的，最显著的消耗是需要将寄存器中的内容切换。
    • 另一个显著的消耗就是上下文的切换会扰乱处理器的缓存机制，当改变虚拟内存空间的时候，处理的页表缓冲TLB（快表）（缓存高频的虚拟到物理的映射）和cache（缓存代码和数据块）也会被全部刷新。

  3. 线程占用的资源比进程少。

  4. 能充分利用多处理器的可并行数量。

  5. 在等待慢速IO操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务。

  6. 将计算分解到多个线程中实现，还可以同事等待不同的IO操作。

| 线程缺点：

  1. 如果线程数量过多会有调度的性能损失。
  2. 健壮性降低，线程之间是缺乏保护的。
  3. 缺乏访问控制，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。

1.2 线程异常和用途

  • 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。

  • 合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率。

  • 合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验。

1.3 线程等待

| 为什么需要线程等待？

  • 已经退出的线程，其空间没有被释放，仍然在进程的地址空间内。
  • 创建新的线程不会复用刚才退出线程的地址空间。

在这里插入图片描述

调用该函数的线程将挂起等待，直到id为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的：

  1. 如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
  2. 如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
  3. 如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
  4. 如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。

1.3 线程终止

如果需要只终止某个线程而不是终止整个进程，有三种方法：

  1. 线程调用return退出。
  2. 线程调用pthread_exit退出。
  3. 线程调用pthread_cancel取消线程。

任何地方调用exit，表示进程退出。

取消线程，一定是目标线程已经启动了，join得到的返回值是-1。

需要注意，pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

1.4 线程分离

  • 默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。
  • 如果不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。

在这里插入图片描述

主线程可以不等待新线程，将目标线程设置为分离状态。线程可以被分离，也可以自己分离。

| 线程被等待的状态：

  1. joined：线程需要被join（默认）
  2. detach：线程分离（主线程不需要等待新线程）

注意：在多执行流情况下，主执行流是最后退出的。

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这里执行5秒后join失败，进程退出，所以线程分离后就不能join了。

线程不能直接进行程序替换，因为其他部分代码可能正在被其他线程执行，但是可以在线程内部创建子进程，进行程序替换。

1.5 线程ID和地址空间布局

pthread_create函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中。该线程ID和前面说的线程ID不是一回事。

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  • 线程属性在线程库中维护，就是TCB，线程ID就是线程库中属性在地址空间中的地址。
  • 主线程的栈只有一个，其他线程的栈是在共享区中被动态申请出来的。

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线程局部存储只能修饰内置类型。

1.6 线程栈

虽然Linux将线程和进程不加区分的统一到了task_struct，但是对待其地址空间的stack还是有些区别的。

  • 对于Linux进程或者说主线程，简单理解就是main函数的栈空间，在fork的时候，实际上就是复制了父亲的stack空间地址，然后写时拷贝(cow)以及动态增长。如果扩充超出该上限，则栈溢出会报段错误（发送段错误信号给该进程）。进程栈是唯一可以访问未映射页而不一定会发生段错误⸺超出扩充上限才报。
  • 对于主线程创建的子线程而言，其stack不再是向下生长的，而是事先固定下来的，线程栈一般是调用glibc的pthread库接口pthread_create在共享区创建的。也就是说这种栈一旦用尽就没了，这是和创建进程的fork不同的地方。
  • 对于子线程的stack，它其实是在进程的地址空间中map出来的一块内存区域，原则上是线程私有的，但是同一个进程的所有线程生成的时候，是会浅拷贝生成者的task_struct的很多字段，如果愿意，其它线程也还是可以访问到。

使用容器管理多线程：

#include "Thread.hpp"
#include <unordered_map>
#include <memory>

#define NUM 10
using thread_ptr_t = std::shared_ptr<ThreadModule::Thread>;

//创建多线程
int main()
{
    std::unordered_map<std::string, thread_ptr_t> threads;
    for (int i = 0; i < NUM; i++)
    {
        thread_ptr_t t = std::make_shared<ThreadModule::Thread>([](){
            while (true)
            {
                std::cout << "hello world" << std::endl;
                sleep(1);
            }
        });
        threads[t->Name()] = t;
    }

    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.second->Start();
    }

    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.second->Join();
    }
    return 0;
}

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