线程概念与控制

目录

从概念角度理性理解线程

一、从教材角度看进程与线程

二、从内核和资源的角度看进程和线程

三、进程与线程的关系

四、结论

从理性角度理解资源划分

一、页表

二、相关概念深度理解

线程的深刻理解

一、线程关于资源操作的实质

二、线程的优点

三、线程的缺点

四、适合使用线程的场景和不适合使用线程的场景

进程 VS 线程

一、定义与基本概念

二、资源分配

三、创建与销毁开销

四、调度与切换

五、通信机制

六、稳定性与安全性

七、 优缺点总结

八、总结

Linux下的线程控制

一、pthread线程库

二、接口

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从概念角度理性理解线程

一、从教材角度看进程与线程

1.进程=内核数据结构+代码和数据（执行流）

2.线程是进程内部的一个执行分支（执行流）

注1：执行流<=进程

注2：执行流是程序执行过程中一条独立的指令序列，在Linux中，执行流通常指线程，两者是同一概念的不同表述

二、从内核和资源的角度看进程和线程

1.进程是承担分配系统资源的基本单位

2.线程是CPU调度的基本单位

三、进程与线程的关系

创建进程通过共享“窗口”（地址空间）将资源分配给不同的task_struct，所以可以用进程模拟出来线程

四、结论

1.Linux下线程可以用进程模拟

2.对资源的划分本质上是对地址空间虚拟地址范围的划分

3.函数是虚拟地址（逻辑地址）空间的集合，代码块的划分是让线程未来执行ELF程序的不同函数

4.进程可以是内部只有一个线程的进程

5.在Linux中，线程是轻量级进程（LWP，Lightweight Process），由内核的clone()系统调用实现

6.进程强调独占，部分资源共享

7.线程强调共享，部分资源独占，比如线程的上下文数据（这说明线程是独立调度的）和栈（说明线程是独立的）

从理性角度理解资源划分

一、页表

注：页表不是单张页表

1.页表作用：在CPU内拿到虚拟地址，通过页表找出与该虚拟地址相对应的物理地址，从而进行数据获取

2.虚拟地址到物理地址的转换具体过程（以32位为例）

<1>虚拟地址到物理地址的转换由MMU硬件自动完成

第一阶段：先查找到虚拟地址对应的页框

第二阶段：根据虚拟地址做为页内偏移量访问具体字节

<2>以上页表形式只是一种情况，为了提高效率有引入了TLB（快表），现在快表内查找，若是找不到再到页表内查找

3.细节

<1>向页表内添加内容的步骤：

申请内存-->查找数组-->找到未被使用的page-->确定page index-->找到物理页框地址

<2>写时拷贝、缺页中断、内存申请等背后可能都要重新建立页表和建立映射关系的操作

<3>进程是由一张页目录和n张页表构建的映射关系，其中虚拟地址是索引，物理地址页框是目标

物理地址=页框地址+虚拟地址（低12位）

<4>为什么是虚拟地址的低12位作为页内偏移量

低：保证很好的聚集效果

12位：因为页框大小为4KB，12个比特位刚好可以表示一行内所有情况

二、相关概念深度理解

1.资源划分本质上就是对地址空间的划分

2.资源共享本质上就是虚拟地址的共享

3.执行流看到的资源本质上是在合法情况下，拥有的虚拟地址（可以认为虚拟地址就是资源的代表）

4.页表的本质就是一张从虚拟到物理的地图

线程的深刻理解

一、线程关于资源操作的实质

1.线程进行资源划分的本质是划分地址空间，再本质是划分页表

2.线程进行资源共享的本质就是对地址空间的共享，再本质是对页表条目的共享

二、线程的优点

1.提高程序响应速度

<1>并行执行：线程允许程序在单核或多核 CPU 上同时执行多个任务。例如，在图形用户界面（GUI）程序中，主线程负责处理用户交互，而后台线程可以执行耗时的计算或 I/O 操作，避免界面卡顿。

<2>实时性：在实时系统中，线程可以确保关键任务及时响应，例如在嵌入式系统中，传感器数据采集和用户输入处理可以并行进行。

2.资源共享

<1>内存共享：同一进程中的线程共享相同的内存空间，包括全局变量、堆内存和打开的文件描述符。这使得线程间通信更加高效，避免了进程间通信（IPC）的开销。

<2>数据一致性：线程可以方便地访问和修改共享数据，但需要注意同步问题（如使用锁或信号量）以避免数据竞争。

3.降低系统开销

<1>轻量级：线程的创建和销毁开销远小于进程。进程需要独立的地址空间和资源，而线程只需要栈空间和寄存器上下文。

<2>上下文切换快：线程切换只需要保存和恢复少量寄存器，而进程切换需要保存和恢复整个地址空间，因此线程切换速度更快。

4.简化编程模型

<1>任务分解：线程可以将复杂的任务分解为多个子任务，每个子任务由一个线程执行。例如，在 Web 服务器中，每个客户端请求可以由一个独立的线程处理。

<2>模块化设计：线程使得程序结构更加清晰，便于维护和扩展。

三、线程的缺点

1.同步问题

<1>数据竞争：多个线程同时访问和修改共享数据时，可能导致数据不一致。例如，两个线程同时对一个全局变量进行加法操作，可能导致结果错误。

<2>死锁：线程在等待锁时可能陷入死锁状态。例如，线程 A 持有锁 1 并等待锁 2，而线程 B 持有锁 2 并等待锁 1，导致两个线程都无法继续执行。

2.调试困难

3.资源竞争

<1>CPU 争用：如果线程数量过多，可能导致 CPU 资源争用，降低系统性能。

<2>内存消耗：虽然线程本身比进程轻量，但大量线程仍然会消耗系统资源，如栈空间和内核调度开销。

4.平台依赖性

四、适合使用线程的场景和不适合使用线程的场景

1.适合使用线程的场景

<1>需要并行执行任务以提高性能，如科学计算、图像处理。

<2>需要实时响应的事件驱动程序，如游戏、多媒体应用。

<3>需要共享大量数据的程序，如数据库系统。

2.不适合使用线程的场景

<1>需要高度隔离的任务，例如不同用户之间的进程。

<2>对安全性要求极高的应用，如银行系统，进程隔离可以提供更好的安全性

进程 VS 线程

一、定义与基本概念

1.进程：进程是程序在操作系统中的一次执行实例，是资源分配的基本单位。每个进程拥有独立的地址空间、文件描述符、全局变量等资源。

2线程：线程是进程中的一个执行单元，是 CPU 调度的基本单位。线程共享进程的资源（如地址空间、文件描述符），但拥有独立的栈空间和程序计数器。

二、资源分配

维度	进程	线程
地址空间	每个进程有独立的地址空间	同一进程中的线程共享地址空间
文件描述符	每个进程有独立的文件描述符表	同一进程中的线程共享文件描述符表
全局变量	每个进程有独立的全局变量	同一进程中的线程共享全局变量
栈空间	每个进程有独立的栈空间	每个线程有独立的栈空间

三、创建与销毁开销

1.进程：创建和销毁进程需要分配或释放独立的地址空间、文件描述符等资源，开销较大。

2.线程：线程的创建和销毁只需分配或释放栈空间和寄存器上下文，开销较小。

四、调度与切换

1.进程：进程切换需要保存和恢复整个地址空间，开销较大，切换速度较慢。

2.线程：线程切换只需保存和恢复少量寄存器，开销较小，切换速度较快。

五、通信机制

1.进程：进程间通信（IPC）需要使用管道、消息队列、共享内存等机制，通信复杂且开销较大。

2.线程：线程间通信可以直接访问共享数据，通信简单且高效，但需要同步机制（如锁、信号量）避免数据竞争。

六、稳定性与安全性

1.进程：进程之间相互独立，一个进程崩溃不会影响其他进程，稳定性较高。

2.线程：同一进程中的线程共享资源，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃，稳定性较低。

七、 优缺点总结

1、进程的优缺点

<1>优点：

稳定性高，一个进程崩溃不会影响其他进程。

安全性好，进程间资源隔离。

<2>缺点：

创建和切换开销大。

进程间通信复杂。

2、线程的优缺点

<1>优点：

创建和切换开销小。

线程间通信简单高效

<2>缺点：

稳定性低，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃。

需要复杂的同步机制避免数据竞争。

八、总结

特性	进程	线程
资源分配	独立地址空间、文件描述符	共享地址空间、文件描述符
创建开销	大	小
切换开销	大	小
通信机制	复杂（IPC）	简单（共享数据）
稳定性	高	低
适用场景	需要隔离和安全性的场景	需要高效并发和资源共享的场景

Linux下的线程控制

一、pthread线程库

1.pthread线程库是第三方库，使用时需要链接，它不属于系统调用

2.Linux系统只存在轻量级进程，Linux的线程是在用户层实现的

二、接口

1.int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,

                                 void *(*start_routine) (void *), void *arg);

<1>头文件：<pthread.h>

<2>参数：

1. pthread_t *thread:
   • 指向一个 pthread_t 类型的变量的指针，用于存储新创建线程的标识符。
2. const pthread_attr_t *attr:
   • 指向一个 pthread_attr_t 类型的变量的指针，用于指定线程的属性。如果传入 NULL，则使用默认属性。
3. void *(*start_routine) (void *):
   • 线程启动后要执行的函数的指针。该函数必须符合特定的签名，即接受一个 void* 类型的参数并返回一个 void* 类型的值。
4. void *arg:
   • 传递给 start_routine 函数的参数。

<3>返回值：成功返回0；失败返回错误码

<4>功能：创建新线程的 POSIX 线程，它允许在多线程编程中生成新的执行流，从而可以并发地执行代码。

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

<1>头文件：<pthread.h>

<2>参数：

1. pthread_t thread:
   • 要等待的线程的标识符。该标识符是由 pthread_create 创建线程时返回的。
2. void **retval:
   • 一个指向指针的指针，用于存储被等待线程的返回值。如果不需要获取返回值，可以传入 NULL

<3>返回值：成功返回0；失败返回错误码

<4>功能：用于等待线程终止的 POSIX 线程，它允许主线程或其他线程等待指定的线程完成执行，从而确保在线程完成后再进行某些操作或回收线程资源。

注：join是基于线程健康跑完的情况下，不需要处理异常情况，因为若线程崩溃，整个进程都崩溃了，此时join无意义

3.int pthread_detach(pthread_t thread);

<1>头文件：<pthread.h>

<2>参数：thread：要分离的线程标识符。

<3>返回值：成功返回0；失败返回错误码

<4>功能：分离一个线程，使其在结束时自动释放资源

4.void pthread_exit(void *retval);

<1>头文件：<pthread.h>

<2>参数：retval：线程的返回值

<3>功能：终止当前线程

5.int pthread_cancel(pthread_t thread);

<1>头文件：<pthread.h>

<2>参数：thread：要取消的线程标识符。

<3>返回值：成功返回0；失败返回错误码

<4>功能：取消指定线程的执行。

6.pthread_t pthread_self(void);

<1>头文件：<pthread.h>

<2>返回值：当前线程的标识符。

<3>功能：获取当前线程的标识符