实战：C语言实现用户态线程

0. 前言

一直以来，我们学习线程切换与调度，都是通过阅读操作系统书籍或 Linux 源码甚至反汇编 Window 内核代码。无论怎样，这些东西都很抽象，学习起来十分困难。另外，随着现代化编程语言逐渐流行，C++20 的正式发布，都离不开用户态线程这些基础知识。再比如 Golang 的 Goroutine，腾讯公司的开源的 libco，百度的 BRPC 中的 bthread，如果想深刻理解它们，都需要扎实的基本功。

会带你循序渐近的掌握下面的知识点：

• 控制流切换原理
• 上下文切换
• 线程设计
• 调度函数的封装与代码模块化
• 线程的主动切换
• 时间片轮转调度

本文实验环境：

• ubuntu 16.04 32 位操作系统（读者请务必提前安装好）；
• 挑选一个你自己觉得好用的虚拟机软件，比如 VMWare；
• 请把你的虚拟机环境配置成单核 CPU。
• 学习时间：大于 5 小时

为什么使用 32 位系统？因为方便初学者学习，能更快速的掌握原理。

最终我们实验完成的效果应该是下面这个样子：

图1 用户态线程运行示例

需要注意的是，上面的代码，并没有使用操作系统为我们提供的 pthread 系列函数，thread_create 和 thread_join 函数都是自己纯手工实现的。唯一使用操作系统的函数就是设置时钟，因此会有时钟信号产生，这一步是为了模拟时间片轮转算法而做的。

下面是图1 中的 demo 示例代码：

#include 
#include 
#include "thread.h"

void fun1() {
  int i = 10;
  while(i--) {
    printf("hello, I'm fun1\n");
    mysleep(2);
  }
}

void fun2() {
  int i = 10;
  while(i--) {
    printf("hello, I'm fun2\n");
    mysleep(1);
  }
}

void fun3() {
  int i = 2;
  while(i--) {
    printf("hello, I'm fun3\n");
    mysleep(5);
  }
}

void fun4() {
  int i = 15;
  int m;
  int n;
  while(i--) {
    printf("hello, I'm fun4\n");
    for (m = 0; m < 10000; ++m)
      for (n = 0; n < 10000; ++n);
  }
}

int main() {

  int tid1, tid2, tid3, tid4;
  thread_create(&tid1, fun1);
  printf("create thread %d\n", tid1);
  thread_create(&tid2, fun2);
  printf("create thread %d\n", tid2);
  thread_create(&tid3, fun3);
  printf("create thread %d\n", tid3);
  thread_create(&tid4, fun4);
  printf("create thread %d\n", tid4);

  int i = 2;
  while(i--) {
    printf("hello, I'm main\n");
    mysleep(3);
  }
  thread_join(tid1);
  thread_join(tid2);
  thread_join(tid3);
  thread_join(tid4);

  return 0;
}

1. 控制流切换原理

控制流，指的是一系列按顺序执行的指令。多控制流，是指存在两个或两个以上可以并发（宏观同时，微观不同时）执行的指令序列。比如你编写的多线程程序，每个线程就可以看成是一个控制流，多个线程允许多个控制流一起执行。

在我们学习编程的时候，如果不借助操作系统提供的线程框架，几乎无法完成多控制流的运行的。

接下来先来剖析一下，我们的指令如何”莫名奇妙“的就切换到其它线程的。

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