Linux —— 线程

什么是线程
Linux如何实现线程
Winodws如何实现线程
使用一下线程
- pthread_create
- - 函数原型
  - 参数说明
  - 返回值
- 如何解决
ps -aL 查看线程
线程为什么轻量

我们今天进入线程的学习：

什么是线程

我们先来了解一个笼统的概念：简单来说，线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。

这句话其实很抽象，我们来画个图来分析一下：

首先我们知道进程：
在这里插入图片描述
然后，我们可以在此基础上，如果可以让多个PCB指向一个进程空间，可以提高执行效率：

然后，我们称红色的为线程：

这里我们可以得到这样几个事实（概念）：

进程是资源分配的基本单位，因为只有进程会有进程地址空间，才会运行。
线程是在进程类的，是进程的小弟，帮进程做事，自己和进程共享进程地址空间。

这个时候，我们再来看看线程的概念：

线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它是进程内部的一个执行序列，代表了进程中一个单一的顺序控制流。一个进程可以包含一个或多个线程，这些线程共享所属进程的内存空间和资源，比如代码段、数据段、文件句柄等，但每个线程都拥有自己的程序计数器、栈空间（调用栈）、寄存器组等执行上下文，以实现独立的执行路径。
线程的存在使得程序能够并发执行不同的任务，提高了程序的执行效率和响应速度，特别是在多核处理器系统中，多个线程可以同时在不同的CPU核心上运行，实现真正的并行处理。线程之间的协作和数据共享相对灵活，但同时也引入了资源竞争和同步问题，需要通过互斥锁、信号量等机制来解决潜在的竞态条件和死锁问题。
线程分为两类：内核线程（Kernel Thread）和用户线程（User Thread）。内核线程直接由操作系统内核管理，其创建、调度和切换等操作都是在内核层面完成的；用户线程则由应用程序管理，有时需要借助于内核线程来实现多线程的并行执行。在某些系统中，还存在混合模式，如N:1模型（多个用户线程映射到一个内核线程）或M:N模型（多个用户线程映射到多个内核线程），以平衡用户态与内核态切换的成本和线程管理的灵活性。

Linux如何实现线程

Linux在实现线程上面偷了懒，并没有专门实现，而是对照进程：

Linux 实现线程的概念确实借鉴了进程的实现方式。在Linux内核中，没有专门的“线程”这一概念，而是将线程作为轻量级进程（Lightweight Processes, LWP）来处理。这意味着每个线程在内核中都表现为一个标准的进程，拥有自己的 task_struct，这是Linux内核中表示进程的核心结构体。然而，这些线程之间共享某些资源，如地址空间、文件描述符和信号处理等，这与传统意义上的独立进程不同。
Linux使用 clone() 系统调用来创建线程，该调用允许父子进程共享某些资源，同时保持独立的执行流和少量独立的状态，如线程ID、栈等。通过精心选择 clone() 的参数，可以创建具有不同资源共享级别的新执行实体，从而实现线程。通常，线程库如POSIX threads (pthreads) 会封装 clone() 系统调用，为程序员提供更高层次的线程创建和管理接口。

因此，可以说Linux中的线程实现是基于进程概念的扩展，利用了进程的基础设施并加以调整，以支持在同一进程内的多个执行流，同时保持高效的资源复用。

Winodws如何实现线程

Wnidows是专门实现了线程的概念：

是的，Windows操作系统实现了线程的概念。在Windows中，线程是执行代码的基本单位，而进程则是资源分配的最小单位，每个进程可以包含一个或多个线程。Windows通过一系列线程相关的API来支持线程的创建、管理和调度，这些API允许开发者创建、终止线程，设置线程的优先级，进行线程同步，以及管理线程的执行状态。
例如，使用CreateThread或更现代且功能更全面的CreateThreadEx函数可以创建一个新的线程；ExitThread用于结束一个线程；WaitForSingleObject或WaitForMultipleObjects可以用来同步线程；而SetThreadPriority可以改变线程的优先级等。此外，Windows还提供了线程局部存储、互斥量、信号量、事件等机制来帮助开发者管理线程间的通信和同步问题。

总之，Windows通过其内核对象和用户模式API全面支持了线程的概念，并且在设计上确保了线程能够在多处理器系统上有效地并行执行。

使用一下线程

我们可以使用一下线程的接口：
在这里插入图片描述

pthread_create

pthread_create函数是POSIX线程库（Pthreads）中的一个核心函数，用于在UNIX-like系统（如Linux、macOS等）中创建一个新的线程。这个函数允许程序实现多线程并发执行，提高执行效率和响应速度。以下是pthread_create函数的基本信息和用法：

函数原型

int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,const pthread_attr_t *restrict attr,void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);

参数说明

tidp: 指向线程标识符（pthread_t类型）的指针，用于存储新创建线程的标识。成功创建后，线程的ID将被写入此地址。
attr: 一个指向pthread_attr_t结构的指针，该结构可以用来设置线程的属性，如栈大小、调度策略等。如果为NULL，则使用默认属性。
start_rtn: 指向线程开始执行的函数的指针，也就是线程的入口点。这个函数必须接收一个void *类型的参数，并返回一个void *类型的指针。
arg: 传递给线程入口函数的参数，类型为void *。在线程启动时，这个参数会被传递给start_rtn函数。

返回值

如果成功创建线程，pthread_create返回0。
如果出现错误（比如资源不足），则返回一个非零的错误码。

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>// 线程函数，打印线程信息
void *ThreadRountine(void* arg)
{const char *thread_name = (const char*)arg; // 将参数转换为字符串while(true) // 无限循环{std::cout << "I am a thread process" << ",pid: "<< getpid()<< std::endl; // 打印线程信息sleep(1); // 休眠1秒}
}int main()
{pthread_t tid; // 定义线程ID// 创建线程，传入线程函数和参数pthread_create(&tid,nullptr,ThreadRountine,(void*)"thread 1");while(true) // 无限循环{std::cout << "I am the main thread"<< ",pid: "<< getpid()<< std::endl; // 打印主线程信息sleep(1); // 休眠1秒}return 0;
}

在这里插入图片描述

我们发现运行起来了，但是很乱，这是因为主线程和创建的子线程都在同时尝试向标准输出（stdout）写入内容，而std::cout的输出默认是非原子性的，即输出操作可以被其他线程中断。当多个线程并发写入时，它们可能交错打印，导致输出混乱。

如何解决

上面的问题就是竞争，线程竞争我们在学习操作系统中，已经学习过许多方法，这里我们用锁来解决：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <mutex> // 引入互斥锁std::mutex cout_mutex; // 全局互斥锁实例void *ThreadRoutine(void *arg) 
{const char *thread_name = (const char *)arg;while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(cout_mutex); // 锁定互斥锁std::cout << "I am a thread process" << ", pid: " << getpid() << std::endl;lock.unlock(); // 解锁sleep(1);}
}int main() 
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void *)"thread 1");while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(cout_mutex); // 锁定互斥锁std::cout << "I am the main thread" << ", pid: " << getpid() << std::endl;lock.unlock(); // 解锁sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述

ps -aL 查看线程

引入线程之后，我们用ps -ajx查不出具体的区别：
在这里插入图片描述这个时候，我们要用ps -aL 查看线程

上面的LWP（Light Weight Process）就是线程，这里我们看到除了进程的13091，还有一个线程13902属于13901。

线程为什么轻量

线程之所以被称为轻量级进程（Lightweight Process），是因为相比于传统的进程，线程在以下几方面显著地减少了资源消耗和管理开销，从而显得更为轻量：

共享资源：线程间共享同一个进程的地址空间，包括代码段、数据段以及堆空间。这意味着线程不需要为每个线程复制一份程序代码和全局变量，大大节省了内存资源。
上下文切换：线程之间的上下文切换比进程更快。因为它们共享同一地址空间，内核在切换时不需要保存和恢复整个地址空间的内容，只需要保存和恢复线程特有的上下文信息，如寄存器状态、栈指针等。
创建销毁：创建和销毁线程的代价低于进程。由于减少了资源分配的需求，线程的创建速度通常快于进程。同样，销毁线程时，只需释放它独有的资源（如栈空间），而不必回收整个地址空间。
通信成本：线程间通信更高效。由于共享内存空间，线程可以直接读写同一块内存区域来交换数据，而不需要通过复杂的进程间通信（IPC）机制，如管道、套接字等。
调度开销：线程的调度通常由同一进程内的线程库或操作系统内核直接管理，而不需要像进程那样涉及更复杂的权限检查和资源分配，因此调度成本较低。

综上所述，线程在资源使用、上下文切换、创建销毁、通信及调度等方面相比进程更加高效，故被形象地称为轻量级进程。这种轻量化使得线程成为实现并发执行、提高程序性能和响应速度的有效手段。