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线程（下）【Linux操作系统】

news 来源：原创 2025/6/15 18:46:51

文章目录

线程控制
- 线程共享进程地址空间中的所有数据
- 线程会瓜分进程的时间片
- 线程相关库函数
- - 库函数：pthread_create
  - 库函数：pthread_self
  - 库函数：pthread_join
  - 库函数：pthread_exit
  - 库函数：pthread_cancel[尽量少用]
  - 库函数：pthread_detach
- 为什么Linux线程相关的函数是库函数，而不是系统调用？
- 线程的状态和回收
- 线程终止
- 线程分离
线程库的理解
- 线程id
- 线程TCB的存放和内容
- - TCB的存储
  - TCB中的内容
- 线程的栈
- 线程局部存储

线程控制

线程共享进程地址空间中的所有数据

全局区，代码区，堆区，共享区，栈区都是共享的
没错栈区也是共享的
只要线程a能拿到线程b函数中的栈区变量的地址，就可以对它进行修改和访问
而且修改之后，线程b看到的也是改变了之后的【但是强烈不建议这么做】

线程会瓜分进程的时间片

即：
一个进程的时间片是10ns
它一共有5个线程，那么每个线程的时间片就是2ns

为什么呢？
操作系统进行调度时，是以线程为单位的
而且承担资源分配的基本实体是进程，进程是资源的容器，线程瓜分进程资源，而时间片也是资源！！！
所以，必须给每个线程分时间片，这样操作系统调度线程时，才知道线程什么时候时间片耗尽

而且：
如果线程的时间片和它所属的进程一样长，那么一个进程就可以通过创建更多线程，来延长自己占用CPU的时间
这显然对其他进程不公平
这和分时操作系统的公平调度理念不符

线程相关库函数

库函数：pthread_create

头文件：pthread.h
返回值：int
①成功，就返回0
②失败，就返回错误码
参数表：
- ①pthread_t *thread：输出型参数，用于获取线程tid，本质也是一个整型
- ②const pthread_attr_t *attr：线程属性
- ③（void*）（*p）（void*）：指向给这个线程分配的函数的函数指针
- ④void*arg：传给分配给线程的函数的参数
  为什么是void * 类型？
  就是为了支持接收任意类型的参数，变量，数组，对象都可以传递过去
  这样就可以一次传递多个信息，也可以更好地支持C和C++混合编写
  我们可以定义一个任务类，里面存储一些基本信息和分配给这个新线程的任务函数
  即设计一个任务类，里面的成员变量就是任务函数，以及任务函数对应的参
作用：创建一个线程

库函数：pthread_self

头文件：pthread.h
返回值：pthread_t
①成功，该线程的tid
②失败，就返回-1
作用：获取唯一标识一个线程的tid

库函数：pthread_join

头文件：pthread.h
返回值：int
①成功，0
②失败，就返回错误码
参数表：
- ①pthread_t thread：要等待的线程的tid
- ②void**retval：因为分配给新线程的函数的返回值为void*类型的，所以以输出型参数的方式获取这个返回值就得是void**类型的
注意：
pthread_join是阻塞等待的从线程的
一般是主线程等待从线程

库函数：pthread_exit

头文件：pthread.h
返回值：void
参数表：
void*retval：线程的退出信息
作用：让调用这个函数的线程退出

库函数：pthread_cancel[尽量少用]

头文件：pthread.h
返回值：int
①成功，0
②失败，就返回错误码
参数表：
pthread_t thread：要取消的线程的tid
注意：
- ①一个线程能被取消的前提是，这个线程已经启动了
- ②被取消的线程也必须被回收（不然会内存泄露），而且退出码必定是-1

库函数：pthread_detach

头文件：pthread.h
参数表：
pthread_t thread：要设置成要把被等待状态设置成detach的线程的tid
作用：
把指定线程的被等待状态设置成detach

为什么Linux线程相关的函数是库函数，而不是系统调用？

因为在Linux中没有给线程先描述再组织
Linux内核中的线程是使用LWP模拟实现的
所以
Linux内核就只给我们提供了创建LWP的系统调用接口（即系统调用clone）操作线程的各种系统调用通通没有

用户不愿意直接去使用创建LWP的系统调用，因为使用这个系统调用还得去了解Linux的LWP等相关知识，成本太高了
所以
Linux就让库封装了LWP相关的系统调用得到了给用户提供了包括线程的各种操作的的库[库的名字就叫pthread]
封装成库之后，用户就只需要知道线程的相关概念就可以轻松使用库函数了

所以
Linux中，如果使用了线程相关的函数，那么编译时都要链接pthread动态库，pthread是Linux实现的自带的库，是原生线程库
所以：
其他任何语言想要在Linux平台上支持线程，就必须封装Linux的pthread库

线程的状态和回收

Linux中的线程就是用LWP（task_struct）模拟实现的
所以一个线程对应一个PCB
而PCB里面就存储了状态信息
所以线程的状态管理，完全可以复用进程的状态管理

从线程也需要被主线程等待和回收（使用pthread_join）
为什么❓

①因为线程的退出信息，在线程库中它自己的TCB中维护着，而TCB关联内核的LWP的生命周期
②因为主线程也要知道其他线程把任务执行地怎么样
所以如果不等待，即使线程退出了，操作系统也不敢释放它的LWP，就会出现与进程类似的僵尸问题

线程终止

会让线程终止的方法一共3种

①分配给线程的函数return，该线程会退出
②线程调用了pthread_exit，该线程就会退出
③其他线程（一般是主线程）调用pthread_cancel取消线程

线程分离

主线程也可以不等待新线程，自己干自己的事
但是线程并不提供非阻塞等待

而是通过修改新线程的被等待状态，来做到

线程有两种被等待的状态

①joinable：线程需要被join等待和回收（新线程默认是joined状态）
②detach：线程分离（这种状态的线程执行完了就直接退出，即使主线程调用pthread_join专门去等待分离状态的线程，也会因为检测到它是分离状态，主线程直接返回，不会阻塞）

此时要注意一点：
如果线程a和主线程分离了，如果线程a还在运行，主线程就退出了
这个时候可能：[不同的线程库实现不一样]

①因为主线程退出，进程就直接也退出了
②主线程退出，但是进程没退出

注意：
多执行流时，尽可能保证主执行流最后退出=

线程库的理解

线程id

我们使用的pthread库里面的接口的时候，使用的事线程id来操纵线程

但是线程id并不是Linux内核中的LWP，而是线程库pthread自己维护的

线程id的本质是地址，是线程库维护的这个线程对应的结构体（tcb）变量的起始地址

创建线程的时候，不仅Linux内核中会创建一个LWP描述线程的内核级属性，线程库pthread中也会创建一个TCB结构体变量来维护线程的用户级属性
即线程库中，会对线程进行先描述，再组织

为什么❓

①LWP是描述轻量级进程的，但是用户使用的是线程，所以用户需要的是线程的属性，而不是轻量级进程的属性
即LWP并不能非常好地描述用户所需的线程的属性（比如：LWP中没有维护这个线程的栈大小，而线程库TCB中维护了）
②为了解藕
因为用户使用的是线程库，线程库创建出来的线程是用户级线程
用户级线程不宜和内核级线程共用结构体和数据结构，这样耦合度太高，而且还要使用系统调用陷入内核

线程库哪里来的空间对线程先描述再组织？
线程库维护进程的线程使用的空间是进程自己申请的物理内存（即使用进程的共享区内存来存储）

因为这样描述线程属性的结构体变量才有虚拟地址，执行流执行线程的库函数的时候，才能找到并访问到对应的数据

所以就可以做到：
不同的进程，使用同一个线程库，但线程库中维护的线程是不一样的
但是线程库的代码区的代码是一样的