Linux多线程

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Linux 多线程

在 Linux 系统中，线程是一个非常重要的概念，它与进程密切相关，但又有其独特之处。本文将从线程的基本概念出发，深入探讨 Linux 中的线程实现、控制机制、优缺点、用途，以及相关的技术细节，如二级页表和 POSIX 线程库（pthread）的使用。

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一、Linux 线程概念

什么是线程

线程（thread）是一个程序中的执行路线，更准确地说，它是“进程内部的一个控制序列”。每个进程至少包含一个执行线程，即主线程。线程运行在进程的地址空间内，依赖进程的资源运行。在 Linux 中，线程的本质是轻量级进程（Light Weight Process，LWP），由内核中的 task_struct 结构表示。CPU 将 task_struct 视为调度单位，而不区分它是传统意义上的进程还是线程。

当创建一个进程时，会伴随着进程控制块（task_struct）、进程地址空间（mm_struct）和页表的创建，虚拟地址通过页表映射到物理地址。而线程的创建则更为轻量化：只需新建一个 task_struct，并让其与父进程共享地址空间和页表。这样，多个线程共享进程的资源，形成多个执行流。

因此，Linux 中的进程可以分为：

• 单执行流进程：只有一个 task_struct，即单线程进程。
• 多执行流进程：包含多个 task_struct，即多线程进程。

从内核角度看，进程是系统资源分配的基本单位，而线程是调度的基本单位。CPU 只关心独立的 task_struct，并不区分它是进程还是线程，这使得 Linux 的线程实现比传统进程更轻量。

Linux 没有真正的线程

与 Windows 等支持原生线程的操作系统不同，Linux 并不存在真正意义上的线程，而是通过轻量级进程模拟线程。内核使用 task_struct 统一描述进程和线程，避免了为线程设计独立的控制结构。这种设计降低了操作系统的复杂性，但也意味着 Linux 中没有真正的线程相关系统调用。用户层通过 POSIX 线程库（pthread）模拟线程功能，而内核仅提供轻量级进程的创建接口，例如 vfork。

例如，vfork 函数创建一个子进程并与父进程共享地址空间，其行为类似于线程：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int g_val = 100;
int main() {
    pid_t id = vfork();
    if (id == 0) {
        g_val = 200;
        printf("child: g_val=%d\n", g_val);
        exit(0);
    }
    sleep(3);
    printf("father: g_val=%d\n", g_val);
    return 0;
}

运行结果显示，子进程修改的全局变量 g_val 影响了父进程，证明它们共享地址空间。

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二、二级页表

线程运行在进程的地址空间内，而地址空间的映射依赖页表。以 32 位平台为例，虚拟地址空间有 2³² 个地址（4GB）。如果使用单级页表，每个虚拟地址需映射到物理地址，假设每个表项占 10 字节（包括权限信息），则页表大小为 40GB，远超 32 位系统的内存容量（4GB）。因此，Linux 采用多级页表，其中 32 位平台使用二级页表。

二级页表的工作原理

1. 页目录（一级页表）：虚拟地址的前 10 位在页目录中查找，定位到对应的二级页表。
2. 页表（二级页表）：接下来的 10 位在二级页表中查找，确定物理页框的起始地址。
3. 偏移量：最后 12 位作为页内偏移量，定位到具体的物理地址。

每个物理页框大小为 4KB（2¹² 字节），页目录和页表各有 2¹⁰ 个表项（1024 项），每项 10 字节，总大小约为 10MB，大幅降低了内存需求。映射过程由 CPU 内的内存管理单元（MMU）硬件完成，结合软件页表实现虚拟地址到物理地址的转换。

在 64 位平台下，Linux 使用更复杂的多级页表，以适应更大的地址空间。

修改常量字符串为何触发段错误？

常量字符串位于只读数据段，页表将其标记为只读。当尝试修改时，MMU 检测到权限冲突，触发硬件异常，操作系统随即向进程发送信号（如 SIGSEGV），终止进程。

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三、线程的优缺点

线程的优点

1. 创建开销小：创建线程比创建进程更快，因为无需复制地址空间。
2. 切换效率高：线程切换仅涉及上下文切换，不需要更改页表。
3. 资源占用少：线程共享进程资源，节省内存。
4. 并行性强：多线程可充分利用多核处理器。
5. 异步执行：在等待慢速 I/O 时，其他线程可继续计算。
6. 任务分解：计算密集型任务可拆分为多线程并行执行；I/O 密集型任务可重叠 I/O 操作。

线程的缺点

1. 性能损失：计算密集型线程过多时，调度和同步开销增加。
2. 健壮性低：线程间缺乏隔离，一个线程崩溃可能导致整个进程终止。
3. 缺乏访问控制：线程共享资源，调用某些 OS 函数可能影响整个进程。
4. 编程复杂：多线程程序调试困难，容易出现竞争条件或死锁。

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四、线程异常与用途

线程异常

线程可能因除零、野指针等异常崩溃。由于线程是进程的执行分支，其崩溃会触发信号机制，终止整个进程。例如：

void* routine(void* arg) {
    int a = 1 / 0; // 除零异常
    return NULL;
}

线程崩溃后，进程随之退出，所有线程停止运行。这体现了多线程健壮性较低的缺点。

线程用途

1. 提升效率：多线程并行处理 CPU 密集型任务。
2. 改善体验：I/O 密集型任务（如下载文件时同时编辑代码）通过多线程实现异步操作。

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五、Linux 进程与线程

进程和线程的区别

• 进程：资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间。
• 线程：调度的基本单位，共享进程的地址空间。

线程私有数据

尽管线程共享进程资源，但每个线程拥有：

• 线程 ID（pthread_t）
• 寄存器组（上下文）
• 栈空间
• errno 变量
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

线程共享数据

线程共享进程的：

• 代码段和数据段（如全局变量、函数）
• 文件描述符表
• 信号处理方式
• 当前工作目录
• 用户 ID 和组 ID

进程和线程的关系

进程是一个容器，线程是其中的执行流。单线程进程只有一个执行流，多线程进程包含多个执行流。

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六、Linux 线程控制（POSIX 线程库）

Linux 通过 POSIX 线程库（pthread）在用户层实现线程功能。pthread 封装了轻量级进程的系统调用，提供线程创建、等待、终止等接口。使用时需包含 <pthread.h> 并链接 -lpthread。

线程创建

pthread_create 创建新线程：

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

• thread：输出参数，存储新线程 ID。
• attr：线程属性，NULL 表示默认。
• start_routine：线程执行函数。
• arg：传递给线程的参数。

示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* routine(void* arg) {
    while (1) {
        printf("New thread: %s\n", (char*)arg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, routine, "thread 1");
    while (1) {
        printf("Main thread\n");
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

运行后，主线程和新线程交替打印，共享同一进程的 PID。

线程等待

pthread_join 等待线程结束：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• thread：待等待的线程 ID。
• retval：线程退出码。

如果不等待，线程退出后资源不会释放，可能导致内存泄漏。示例：

void* routine(void* arg) {
    sleep(5);
    return (void*)2022;
}
int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, routine, NULL);
    void* ret;
    pthread_join(tid, &ret);
    printf("Exit code: %d\n", (int)ret); // 输出 2022
    return 0;
}

线程异常时（如除零），进程崩溃，pthread_join 无法执行，因此只能获取正常退出时的退出码。

线程终止

1. return：从线程函数返回，终止当前线程。
2. pthread_exit：主动退出线程：

   void pthread_exit(void *retval);
   

3. pthread_cancel：取消其他线程：

   int pthread_cancel(pthread_t thread);
   

取消的线程退出码为 PTHREAD_CANCELED（-1）。

示例（主线程取消新线程）：

void* routine(void* arg) {
    while (1) {
        printf("Running\n");
        sleep(1);
    }
}
int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, routine, NULL);
    sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("Thread canceled\n");
    return 0;
}

分离线程

pthread_detach 将线程设置为分离状态，退出时自动释放资源：

int pthread_detach(pthread_t thread);

示例：

void* routine(void* arg) {
    pthread_detach(pthread_self());
    sleep(5);
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, routine, NULL);
    sleep(10); // 无需 join
    return 0;
}

线程 ID 及地址空间布局

pthread_t 是用户级线程 ID，表示进程地址空间共享区中描述线程的内存块地址（NPTL 实现）。通过 pthread_self 获取当前线程 ID，与 pthread_create 的输出参数一致，但不同于内核的 LWP ID。

线程栈：

• 主线程使用进程原生栈。
• 新线程在共享区分配栈空间。

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七、总结

Linux 通过轻量级进程模拟线程，利用 task_struct 和共享地址空间实现高效的多线程机制。POSIX 线程库提供了用户友好的接口，支持线程创建、管理和终止。线程的优点在于轻量和并行性，但缺点包括健壮性低和编程复杂性高。理解线程与进程的关系、二级页表的工作原理以及 pthread 的使用，能帮助开发者更好地利用多线程优化程序性能。