Linux线程机制

Linux 操作系统中的线程机制是基于 POSIX 线程（Pthreads） 标准实现的，通常称为 pthread。Linux 内核通过Native POSIX Thread Library提供了对多线程的支持。

1. 线程的基本概念

• 线程是进程中的一个执行单元，是 CPU 调度的基本单位。
• 线程共享进程的地址空间、文件描述符、信号处理等资源，但每个线程有自己的栈、程序计数器（PC）和寄存器状态。
• 线程的创建、销毁和切换比进程更轻量级，适合需要并发执行的场景。

2. Linux 线程的实现

Linux 内核将线程视为一种特殊的进程，称为 轻量级进程。每个线程在内核中都有一个独立的 task_struct 结构体，但共享相同的进程资源（如内存空间、文件描述符等）。

• NPTL（Native POSIX Thread Library）
  • 是 Linux 中实现 POSIX 线程标准的库。
  • 提供了高效的线程管理，支持大量线程的创建和调度。
  • 使用 1:1 线程模型，即每个用户级线程对应一个内核级线程。

3. 线程的创建与管理

在 Linux 中，线程的创建和管理主要通过 pthread 库提供的函数实现。常用的函数包括：

• pthread_create：

  • 用于创建一个新线程。

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

  • 例子：

    #include <pthread.h>
    void* thread_function(void* arg) {
        printf("Thread is running\n");
        return NULL;
    }
    int main() {
        pthread_t thread;
        pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
        pthread_join(thread, NULL); // 等待线程结束
        return 0;
    }
    

• pthread_join：

  • 用于等待指定线程结束。
  • 原型：int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• pthread_exit：

  • 用于线程主动退出。
  • 原型：void pthread_exit(void *retval);

• pthread_cancel：

  • 用于取消指定线程。
  • 原型：int pthread_cancel(pthread_t thread);

4. 线程同步机制

多线程编程中，为了避免竞争条件和数据不一致，需要使用同步机制。Linux 提供了以下同步工具：

• 互斥锁（Mutex）：
  • 用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问。
  • 相关函数：pthread_mutex_init, pthread_mutex_lock, pthread_mutex_unlock, pthread_mutex_destroy。
• 条件变量（Condition Variable）：
  • 用于线程间的通信，允许线程等待特定条件满足。
  • 相关函数：pthread_cond_init, pthread_cond_wait, pthread_cond_signal, pthread_cond_broadcast。
• 信号量（Semaphore）：
  • 用于控制对共享资源的访问数量。
  • 相关函数：sem_init, sem_wait, sem_post, sem_destroy。
• 读写锁（Read-Write Lock）：
  • 允许多个读线程同时访问共享资源，但写线程独占访问。
  • 相关函数：pthread_rwlock_init, pthread_rwlock_rdlock, pthread_rwlock_wrlock, pthread_rwlock_unlock。

5. 线程的属性

线程的属性可以通过 pthread_attr_t 结构体设置，常见的属性包括：

• 线程的栈大小。
• 线程的调度策略（如 SCHED_FIFO、SCHED_RR）。
• 线程的分离状态（detached 或 joinable）。

相关函数：

• pthread_attr_init
• pthread_attr_setstacksize
• pthread_attr_setschedpolicy
• pthread_attr_setdetachstate

6. 线程的调度

Linux 中的线程调度遵循进程调度的规则，使用 CFS算法。可以通过以下函数设置线程的优先级和调度策略：

• pthread_setschedparam
• pthread_getschedparam

7. 线程的优缺点

优点：

• 线程的创建和切换比进程更快。
• 线程间共享内存，通信更加高效。
• 适合需要高并发的场景。

缺点：

• 线程间共享资源，容易引发竞争条件和死锁。
• 调试多线程程序比单线程程序更复杂。

8. 线程与进程的比较

特性	进程	线程
资源占用	较高（独立地址空间）	较低（共享地址空间）
创建和切换	较慢	较快
通信方式	管道、消息队列、共享内存等	共享内存
独立性	完全独立	依赖于进程
适用场景	需要隔离的任务	需要高并发的任务