【Linux】线程

最新推荐文章于 2025-05-09 19:13:37 发布

学IT的小卢

最新推荐文章于 2025-05-09 19:13:37 发布

阅读量1.1k

点赞数 22

分类专栏： Linux 操作系统文章标签： linux 运维服务器

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_69061857/article/details/136086360

版权

线程

我们常常会在linux中或者在操作系统这门课中听到进程和线程的名称，我们之前认识了进程的概念，现在我们来了解一下线程的概念

线程概念：

什么是线程

在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）。更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序

列”
一切进程至少都有一个执行线程
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眼中，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，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程

执行流

我们来看看我们之前进程的结构：

每个进程都有自己独立的进程地址空间和独立的页表，也就意味着所有进程在运行时本身就具有独立性。所以我们在创建进程时，它要创建PCB，页表，建立代码和数据的映射关系…。所以创建一个进程的成本非常高。

当我们每次只创建“进程”（线程），只创建task_struct，让他们共享同一份进场地址空间和页表时，就会出现下面的场景：

现在我们不需要为线程创建地址空间和页表，只需要为他们task_struct，这样我们就可以大大的节省内存空间

所以这四个task_struct看到的资源都是一样的，我们后续可以通过某种方式把代码区拆分成4块，让这四个task_struct执行不同的代码区域，上述的区域（数据区，堆区，栈区）也是类似处理方式。换言之，我们后续创建的3个task_struct都各自有自己的一小份代码和数据，我们把这样的一份task_struct称之为线程。

线程其实就是一个当前进程的执行分支（执行流）
线程在进程内部，而进程在进程地址空间中运行，其实本质上线程也在进场地址空间中运行
线程所需的内存更小，所以在CPU眼中更加轻量级！
线程的调度成本更低了，是因为它将来在调度的时候，核心数据结构（地址空间和页表）均不用切换了

上述谈的线程仅仅是在Linux下的实现原理，不同平台对线程的管理可能是不一样的。Linux其实并没有真正的对线程创建对应的数据结构：

线程本身是在进程内部运行的，操作系统中存在大量的进程，一个进程内又存在一个或多个线程，因此线程的数量一定比进程的数量多（线程：进程一定是n : 1），当线程的数量足够多的时候，很明显线程的执行粒度要比进程更细。
对于这么多的线程我们OS需要对其做管理（先描述，再组织），在大部分的OS中，线程都有一个tcb。如果我们的系统实现的是真线程，比如说windows平台，它就要分别对进程和线程设计各自的描述的数据块（结构体），并且很多线程在一个进程内部，所以还要维护线程tcb和进程pcb之间的关系。所以这样写出的代码，其tcb和pcb两个数据结构之间的耦合度非常复杂。设计tcb和pcb的人认为这样的进程和线程在执行流层面上是不一样的。但是Linux不这样想：在概念上没有进程和线程的区分，只有一个叫做执行流。Linux的线程是用进程PCB模拟的。所以在Linux当中，其PCB和TCB是一回事！！！
Linux的线程用进程PCB模拟的好处很明显：

不用单独设计tcb了（Linux认为tcb和pcb的属性上很大部分重叠了，不需要单独设计pcb）
不用维护tcb和pcb之间的关系了。
不用在编写任何调度算法了。

一个进程内部一定存在多个执行流，问：这些执行流在CPU的角度有区别吗？

答案是没有任何区别，CPU调度的时候照样以task_struct为单位来进行调度，只是这里task_struct背后的代码和页表只是曾经的代码和页表的一小部分而已。所以CPU执行的只是一小块代码和数据，但并不妨碍CPU执行其它执行流。所以我们就可以把原本串行的所有代码而转变成并发或并行的让这些代码在同一时间点得以推进。总结如下：以前CPU看到的所有的task_struct都是一个进程，现在CPU看到的所有的task_struct都是一个执行流（线程）
总览如下：

接下来我们来看一个问题：下面这份代码是对的吗？肯定是错的啊！

char* msg = "hello world";
*msg = 'H';

我们以前常常说常量字符串不可以被修改！因为它其实被const修饰！

根本原因就是当你尝试进行修改时，页表有对应的条目限制你的更改。比如说我字符串常量区经过页表的映射到物理内存，当它从虚拟地址到物理地址转换的时候，它是只读的，所以RWX权限为R，所以尝试在修改的时候直接在页表进行拦截，并结合mmu内存管理单元，识别到只读但尝试修改的异常，发出信号，随后OS把此进程直接干掉。

重新理解进程：

曾经我们理解的进程 = 内核数据结构 + 进程对应的代码和数据，现在的进程，站在内核角度上看就是：承担分配系统资源的基本实体（进程的基座属性）。所有进程最大的意义是向系统申请资源的基本单位。

因此，所谓的进程并不是通过task_struct来衡量的，除了task_struct之外，一个进程还要有进程地址空间、文件、信号等等，合起来称之为一个进程。换言之，当我们创建进程时是创建一个task_struct、创建地址空间、维护页表，然后在物理内存当中开辟空间、构建映射，打开进程默认打开的相关文件、注册信号对应的处理方案等等。

我们之前接触到的进程内部都只有一个task_struct，也就是该进程内部只有一个执行流，即单执行流进程：

而内部可以有多个执行流的进程我们称之为多执行流进程：

所以Linux下没有真正意义上的线程，而是用进程task_struct模拟实现的。所以CPU看到的实际上的task_struct实体是要比传统意义上的进程更轻量化的。所以Linux下的“进程” <= 其它操作系统的进程概念。
线程就是调度的基本单位

简单使用线程

这里我们先简单套用两个函数pthread_create（创建线程）以及pthread_join（等待线程）

创建线程的函数叫做pthread_create，其函数原型如下：

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

等待线程的函数叫做pthread_join，函数原型如下：

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

来看线程的运行：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string>
using namespace std;
void* cctalk1(void *args)
{  
    string name=(char*)args;
    while(true)
    {
        cout<<name<<endl;
        sleep(1);
    }
}
void* cctalk2(void *args)
{   
    string name=(char*)args;
    while(true)
    {
        cout<<name<<endl;
        sleep(1);
    }}
int main()
{
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,cctalk1,(void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2,nullptr,cctalk2,(void*)"thread 2");
    
    while(true)
    {
        cout<<"我是主线程..."<<endl;
        sleep(1);
    }
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);

    return 0;
}

我们可以发现当前有三个执行流（线程）

但是我们查看进程信息只能看到一个（这是正常现象，符号我们的预期），我们使用指令ps -aL就可以查到线程了，注意：LWP就是轻量级进程ID，当LWP和PID相同时，就说明其是主线程。

默认情况下，不带 -L，看到的就是一个个的进程
带 -L 就可以查看到每隔进程内的多个轻量级进程

所以，上述3个执行流的PID相同，说明3个线程属于同一个进程，而那个PID和LWP都相同的就是主线程。

注意：在Linux中，应用层的线程与内核的LWP是一一对应的，实际上操作系统调度的时候采用的是LWP，而并非PID，只不过我们之前接触到的都是单线程进程，其PID和LWP是相等的，所以对于单线程进程来说，调度时采用PID和LWP是一样的。

我们去试着打印他们的pid，我们发现他们三个的pid是相同，证明了三个执行流是在同一个进程内部的！！！

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string>
using namespace std;
void* cctalk1(void *args)
{
     
    string name=(char*)args;
    while(true)
    {
   
        cout<<name<<":"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
    }
}
void* cctalk2(void *args)
{
      
    string name=(char*)args;
    while(true)
    {
   
        cout<<name<<":"<<getpid()<<endl;
        sleep(1);
    }}
int main()
{
   
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,cctalk1,(void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2,