【Linux】多线程（概念，控制）

秦jh

发布于 2024-11-12 08:11:04

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发布于 2024-11-12 08:11:04

文章被收录于专栏：c语言，c++

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前言

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再谈地址空间

OS进行内存管理，不是以字节为单位的，而是以内存块为单位的，默认大小是4KB。系统和磁盘文件进行IO的基本单位是4KB--8个扇区。文件在磁盘中存的时候是有自己的dateblock的，每个dateblock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，叫页框或页帧。在内核里有一个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。

虚拟地址如何转换为物理地址？

虚拟地址的前10个比特位索引页目录，中间10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

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。我们以前讲的进程内部都是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。

创建线程初识

功能：创建一个新的线程参数

thread:返回线程ID
attr:设置线程的属性，attr为nullptr表示使用默认属性(这里用默认即可)
start_routine:是个函数指针，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

直接编译，会报错，说直接创建线程是未定义的行为。 Linux中要使用线程，编译时要引入pthread库。

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

创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
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
线程占用的资源要比进程少很多
能充分利用多处理器的可并行数量
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
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
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。

线程的缺点

性能损失
健壮性降低
- 编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。（多线程程序，如果其中一个线程出问题，整个进程就会出问题）
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
线程共享进程数据，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

进程的多个线程共享同一地址空间，除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境:

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

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

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。

线程函数返回值

如果新线程返回值不是nullptr，而是别的退出信息时。主线程可以在join时拿到退出信息，如上图，定义了一个指针code，这个指针是开辟了空间的，把空间的地址传过去，就能拿到退出信息了。

返回值还可以是类对象的地址，主线程接收时用对应类类型对象接收即可。如果新线程异常了，整个进程就崩溃了，包括主线程。因为信号是发给进程的，不是发给线程的。所以只考虑正确的返回值，不考虑异常，因为异常时整个程序就挂掉了。

创建多线程

下面是完整代码：

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。

下面是使用举例：

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

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
joinable和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的。
如果一个线程被分离，线程的工作状态就是分离状态，不需要被join，但依旧属于进程内部。

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;
}