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Linux的线程概念与控制

news 2025/8/25 6:50:16

1、Linux的线程概念

1.1 什么是线程

1.2 分页式存储管理

1.3 线程的优点

1.4 线程的缺点

3、Linux的线程控制

3.1 POSIX线程库

3.2 线程创建

3.3 线程退出

3.4 线程等待

3.5 线程分离

首先Linux内核不区分"进程"和"线程"，统一用task_struct管理。CPU处理的是一个个task_struct。
进程 = 1个或多个task_struct(PCB) + 代码和数据
线程(轻量级进程) = 1个task_struct(PCB) （它通过指针共享了其所属进程的代码和数据）
我们之前讲的传统的进程是一个主线程。
一个进程的多个task_struct(PCB)，被认为是多个轻量级进程，主轻量级进程的id即lwp(light weight peocess)与进程的pid相同。
进程强调独占，部分共享；线程强调共享，部分独占。

一个进程不可能把所有内存4G(1024个页表 * 1024个页框 * 页框大小4KB)用完，所以页表的大小远小于4MB，所以一个进程只有一张页目录 + n张页表。
页目录里的元素称为页目录项，页表里的元素称为页表项。
页表项里面存页框的起始地址，由于框的起始地址都是4KB的整数倍，所以地址的低12位，没有用上，就作为控制位。高20位，正好完美覆盖了32位CPU最大的4GB物理地址空间(1024(10位) * 1024(10位) * 指向一个4KB)。那页目录项里面存页表的起始地址呢？也是因为页表的起始地址都是4KB的整数倍？是的，地址的低12位，也作为控制位。
画外音：因此，整个页目录理论上最大可以管理 1024 * 4GB(对应1024个页表) = 4TB 的虚拟地址空间，但是CPU跟不上，哈哈。

都是由于共享所属进程的虚拟内存空间和系统资源。

性能损失。多进程增加了额外的同步和管理开销。上下文切换和调度算法和竞争锁。
健壮性/稳定性降低。一个线程崩溃，会导致整个进程中的所有线程崩溃。
缺乏访问控制。在一个进程中，所有线程都共享相同的访问权限。操作系统安全权限（如文件访问权限、用户ID等）的设置对象是进程，而不是线程。
编程与调试难度极高。

因为用户区分线程，而Linux内核只认task_struct(共享代码和数据，就是线程之分，代码和数据独立，就是进程之分)，需要线程相关的接口，所以pthread库(POSIX线程库)封装了内核创建共享资源任务的系统调用，并提供了一套标准、易用的线程管理接口。
在Linux中，C++11，就封装了pthread库。

每个线程都有独立的栈空间(调用不同的函数，创建独立的栈帧)，主线程用虚拟地址空间里的栈，新线程用动态库mmap出来的栈；线程局部存储，使用__thread修饰(全局的或静态的)内置类型或部分指针，使数据独立。
在Linux中，pthread_setname_np() 和 pthread_getname_np() 是glibc提供的函数，它们通过系统调用（如 prctl()）请求内核，将用户提供的字符串写入或读出指定线程的内核结构体 struct task_struct 的 comm 字段。这是一个存储在内核空间的、全局可见的线程标识符。由于其修改和读取必须通过内核进行，由内核保证操作的原子性，因此不存在并发问题。

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);

pthread_t *thread：线程id，输出型参数。pthread库彻底封装了轻量级进程，线程的id不是lwp，而是在库中的对应管理块的起始虚拟地址；pthread_t pthread_self(void);，获取当前线程的id。
const pthread_attr_t *attr：设置线程属性，输入型参数，一般传nullptr。
void *(*start_routine) (void *)：函数指针，输入型参数。函数返回值为void*，函数参数类型为void*。线程以该函数为入口。
void *arg：传给回调函数start_routine的参数。
返回值，On success, pthread_create() returns 0; on error, it returns an error number(正整数),

从线程的入口函数return，就是线程退出。推荐。exit，就变成了进程退出。
void pthread_exit(void *retval);。线程退出。
int pthread_cancel(pthread_t thread);。指定一个线程退出。返回值，On success, pthread_cancel() returns 0; on error, it returns a nonzero error number(正整数).
线程的退出状态没有异常的概念，因为遇到异常，整个进程都退出了，由进程的退出状态判断。

pthread_t thread：线程id，输入型参数。
void **retval：线程的退出状态，输出型参数。如果该线程被pthread_cancel(自己cancel，也返回(void*)-1)了，进程的退出状态为(void*)-1(即宏PTHREAD_CANCELD)。
返回值，On success, pthread_join() returns 0; on error, it returns an error number(正整数).

进程默认是需要等待的(joinable)，如果一个线程结束时，不想等待(即回收)该线程，想让该线程自动回收，就要设置为分离状态(!joinable or detach)。
int pthread_detach(pthread_t thread);
一般用于主线程分离新创建的线程，或新线程自己分离自己pthread_detach(pthread_self());。
画外音：主线程如果pthread_detach(pthread_self())；，分离自己，当退出时，进程退出，系统试图去自动回收一个正在执行进程退出流程的线程。这个线程的上下文正在被使用，却又要被清理。这就像一边拆房子一边还在房子里开会一样。最终，这通常会导致一个段错误（Segmentation Fault）或其他形式的崩溃。主线程的生命周期与进程绑定，它的退出由进程退出流程自动管理，不需要也不应该手动设置其分离状态。
返回值，On success, pthread_detach() returns 0; on error, it returns an error number(正整数).