Linux系统编程之线程(一)

介绍系统编程中线程的概念以及线程的特点。

前言

我们知道进程是操作系统管理资源的基本单位，而线程又是进程的一部分。所以我们可以说线程是操作系统管理资源的最小单位。

线程相较于进程来说还是有很多好处的：

1. 线程消耗的资源要少于进程
2. 程序逻辑和控制方式简单

同时其也有相应的缺点：

1. 线程之间的同步和通信复杂
2. 由于处于多个进程之下所以，线程的内存大小受到了限制
3. 一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性

什么是线程池？。线程池是一种线程的管理方式，我们知道在创建线程是需要时间的，所以我们在进程启动的时候就创建好多个线程，这些线程就被放到一个线程池中，当有新的任务需要处理时，就从线程池中取出一个线程来处理，这样就避免了频繁的创建和销毁线程，提高了程序的运行效率。

线程的特点

线程不同于进程的主要一个原因就是线程实际上是附属于进程的，我们也可以说线程是轻量级的进程。同时同一个进程下的线程共享了下面这些内容：

1. 整个进程的内存空间
2. 打开的文件描述符
3. 信号处理器
4. 整个进程的地址空间

同时，不同的线程也有自己的资源：

1. 每个线程都有自己的栈
2. 程序计数器
3. 局部变量

下面有一个实验来证明，pthread_create() 函数创建线程的速度要远快于使用函数 fork() 创建进程的速度。

实验环境：计时反映 50,000 个进程/线程创建，使用 time 实用程序执行，单位为秒，无优化标志。

下面是关于线程共享资源方面的内容：

还需要注意，同一个进程下的不同线程除开共享整个内存区之后还会共享 OS资源 比如说：打开的文件描述符、信号等等

进程是操作系统的资源分配单位

线程是CPU的基本执行单元

并发和并行

并发和并行是两个概念，并发是指两个或多个事件在同一时间间隔发生，并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。

实际上可以这样理解：

并发：意味着应用程序会执行多个的任务，但是如果计算机只有一个 CPU 的话，那么应用程序无法同时执行多个的任务，但是应用程序又需要执行多个任务，所以计算机在开始执行下一个任务之前，它并没有完成当前的任务，只是把状态 暂存，进行任务切换，CPU 在多个任务之间进行切换，直到任务完成。如下图所示

并行：是指应用程序将其任务分解为较小的子任务，这些子任务可以并行处理，例如在多个CPU上同时进行。

并发为什么会出现？下面是计算机中不同存储器的访问速度：

程序是在内存中执行的，程序里大部分语句都要访问内存，有些还需要访问 I/O 设备，根据漏桶理论来说，程序整体的性能取决于最慢的操作也就是磁盘访问速度。

因为 CPU 速度太快了，所以为了发挥 CPU 的速度优势，平衡这三者的速度差异，计算机体系机构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为：

• CPU 使用缓存来中和和内存的访问速度差异
• 操作系统提供进程和线程调度，让 CPU 在执行指令的同时分时复用线程，让内存和磁盘不断交互，不同的 CPU 时间片 能够执行不同的任务，从而均衡这三者的差异
• 编译程序提供优化指令的执行顺序，让缓存能够合理的使用

用户级线程和内核级线程

线程是具有以上区分的，常见的用户级线程库包括：

• Pthread
• Cthread
• Solaris UI-threads
• Windows 线程库

用户级线程库为线程创建、终止、联接和调度提供所有支持。

同时由于具有这两种区分，所以操作系统也提供了多种线程模型：

• 一对一模型：表示一个用户级线程对应一个内核级线程，现在 Linux 、MacOS 等操作系统都采用这种模型
• 多对一模型：表示多个用户级线程对应一个内核级线程
• 多对多模型：表示多个用户级线程对应多个内核级线程

具体的：

多对一：

一对一：

多对多：

协程

协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制，因此，协程能充分利用线程的优点，但又不受线程的缺点的限制。

协程这个概念近年流行起来。尤其 golang 语言问世之后，内置的协程特性，完全屏蔽了操作系统线程的复杂细节；甚至 go 开发者“只知有协程，不知有线程”

内核线程

• 内核线程由内核直接支持。内核在内核空间中执行线程创建、终止、加入和调度。
• 内核线程通常比用户线程慢。
• 但是，阻塞一个线程不会导致同一进程的其他线程阻塞。内核只运行其他线程。
• 在多处理器环境中，内核可以在不同的处理器上调度线程
  

由内核管理的线程包（注意：POSIX Pthreads 库支持创建内核线程）

其他线程库

其实我们知道线程库是非常多的，在不同的 OS 中或提供不同的线程库，包括有些编程语也会进行提供：

• Java 线程库
• C/C++ 线程库
• Windows 线程库
• Linux 线程库
  等等。

Linux 线程库

• Linux 将它们称为任务而不是线程。
• 线程创建是通过 clone（） 系统调用完成的。
• Clone（） 允许子任务共享父任务（进程）的地址空间fork （） 和 clone（） 有什么区别？

但是我们需要知道，clone() 函数是不具有可移植性的，所以我们一般不会使用这个函数，而是使用 pthread_create() 函数来创建线程。

Pthread线程库

相关函的定义：

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                  void *(*start_routine) (void *), void *arg);
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
int pthread_detach(pthread_t thread);
int pthread_cancel(pthread_t thread);
void pthread_testcancel(void);
void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);
void pthread_cleanup_pop(int execute);

现在一一介绍相关的函数作用：

• pthread_create() 函数用于创建线程，其参数如下：
  • thread：指向 pthread_t 类型的指针，用于存储线程 ID。
  • attr：指向 pthread_attr_t 类型的指针，用于设置线程属性。使用参数 NULL 时，系统会使用默认的线程属性。
  • start_routine：线程函数的入口地址。
  • arg：线程函数的参数。
• pthread_join() 函数用于等待线程终止。其参数如下：
  • thread：pthread_t 类型，表示要等待的线程 ID。
  • retval：指向 void* 类型的指针，用于存储线程的返回值。
• pthread_detach() 函数用于分离线程，使线程脱离父进程的控制。其参数如下：
  • thread：pthread_t 类型，表示要分离的线程 ID。
• pthread_cancel() 函数用于取消线程的执行。其参数如下：
  • thread：pthread_t 类型，表示要取消的线程 ID。
• pthread_testcancel() 函数用于测试是否有线程取消请求。
• pthread_cleanup_push() 函数用于注册线程清理函数，当线程终止时，会自动调用清理函数。其参数如下：
  • routine：线程清理函数的入口地址。
  • arg：线程清理函数的参数。
• pthread_cleanup_pop() 函数用于弹出线程清理函数。其参数如下：
  • execute：如果为 0，则清理函数不会被调用。如果为 1，则清理函数会被调用。

杂项

1. 后续 Pthreads 系列函数均以 0 表示成功，返回一个正值表示失败，这个正值与传统 Unix 的 errno 的值含义一样。在编译调用了 Pthreads 函数的程序需要添加 -lpthread 以链接此库。

参考资料

-Java之编程—并发编程