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Linux--线程（概念篇）

最编程 2024-07-09 07:20:32
...

概念部分：

线程：在进程内部运行，是cpu调度的基本单位。

初步理解：在下面，一个一个的tesk_struct就是一个一个的执行流，地址空间的正文代码也会被分为4部分，让每一个执行流去执行，这一个一个的执行流就是Linux中的线程，这是我们对线程的初步理解，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

在学习进程的时候我们得出结论：进程=内核数据结构+进程的代码和数据。

现在我们从内核观点给出进程的定义：进程是承担分配系统资源的基本实体！

对比以前对进程的理解区别在于：内部只有一个执行流的进程。 

OS关于线程的设计

        在windows系统下，线程是真实存在的，有自己的控制结构体与调度算法；

        从内核的角度来看，Linux并没有线程这个概念。Linux的线程通常被当作一种特殊的进程（是进程模拟的）来实现。每个线程都拥有自己独立的task_struct内核数据结构对象，但在进程内部，多个线程共享进程的地址空间和其他资源。

       

         对于CPU来说，调度一个task_struct<=进程，因为task_struct可能只是一个进程的一个执行流。那么CPU要不要区分task_struct是进程还是线程？

        当然不必区分，对于CPU来说都叫做执行流，所以之前与进程有关的知识，在Linux下仍然适用，因为线程就是一个特殊的进程。（CPU看到的执行流<=进程。因此我们称Linux中的执行流：轻量级进程！！！）

代码部分：

先见一见：

引入函数pthread_create，，用于在程序中创建一个新的线程

参数说明：

  • thread：指向 pthread_t 类型的指针，用于存储新创建的线程的标识符。成功调用后，这个标识符可以用来引用该线程。
  • attr：指向 pthread_attr_t 类型的指针，用于设置线程的属性，如线程栈的大小、调度策略等。如果传递 NULL，则使用默认属性。
  • start_routine：线程将要执行的函数的指针。这个函数应该接受一个 void* 类型的参数，并返回一个 void* 类型的值。这个函数是线程开始执行时调用的函数。
  • arg：传递给 start_routine 函数的参数。这个参数的类型是 void*，这意味着你可以传递任何类型的指针。

主线程和新创建的线程会并行执行，直到新线程完成其任务。

eg:两个执行流同时跑死循环

在进行线程的编译时，要引入第三方库：pthread：它提供了一套创建和管理线程的API。这些API使得在多种UNIX系统上编写多线程程序成为可能，同时也增强了程序的可移植性。

编译时要带-lpthread链接pthread库

test1:test.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test1

代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>

//新进程
void *threadStart(void *args)
{
    while (true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "new thread running..." <<std::endl;
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new");

    //主线程
    while(true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "main thread running..." <<std::endl;
    }
    return 0;
}

同时执行两个死循环，这就是一个多线程的代码。

这时候你查询系统中的进程时，发现只有一个进程

更改代码后，让它们打出各自的pid，果然都一样：

原因是：这两个线程属于一个进程内部。

        但也是可以通过命令看到有几个线程的：ps -aL,我们可以看到LWP（Lightweight Process）轻量级进程，OS进行调度的时候看的就是LWP，而不是PID，LWP才是标识一个 执行流的概念，LWP和PID相等的执行流，我们称之为主线程（特殊情况：多进程，单进程调度时看OS根据PID来区分，这不矛盾，因为在这两种情况下PID==LWP）

        每个线程都有自己要执行的代码，每行代码都有自己的地址，在逻辑上只要每个线程拿到自己代码所对应的那部分页表，就能找到自己执行代码的地址了，就能执行代码了。

问题：

        1.已经有多进程了，为什么要有多线程呢？

        创建： 首先进程创建的成本是非常高的（进程是系统资源分配的基本单位，每个进程都拥有独立的地址空间、内存、文件描述符等资源。）而创建线程：1.创建PCB 2.将进程已有的资源获取就好了。

        运行：线程调度成本低

        删除一个线程的成本也是低的

       2. 线程这么好，为什么要有进程呢？

        由于线程共享进程的内存空间，因此一个线程中的错误可能会影响到进程中的其他线程。例如，如果一个线程发生段错误（如访问了非法地址），则可能导致整个进程崩溃，进而影响到该进程内的所有线程。相比之下，进程间的独立性使得一个进程的崩溃不会影响到其他进程。（健壮性降低，当然还有其它方面，进程和线程都有自己的不可取代性）。

       3.线程调度的成本为什么低？

        CPU为了加速访存会存在一个cache的硬件，它会遵循局部性原理，将执行代码的前几行和后几行全都加载到cache当中，这一部分我们称为进程执行的热数据。当CPU执行到某行代码的时候，如果这部分缓存命中了，则直接从cache中读取，如果没命中，再从内存中缓存，重新置换到cache当中。

        这意味着，如果是A，B进程间要进行切换，除了pcb，地址空间，页表要切，A和B要执行的任务肯定是不一样的，进程Acache缓存的热数据，进程B用不上，这意味着进程B要重新cache，这就慢了。但线程进行切换的时候，由于线程共享进程的地址空间和资源，因此缓存中的内容仍然有效，无需进行替换。这减少了缓存失效的次数和缓存加载的时间，从而降低了调度的成本。（主要矛盾）  

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