Linux线程之线程 线程组 进程

Thread Local Storage，线程本地存储，大神Ulrich Drepper有篇PDF文档是讲TLS的，我曾经努力过三次尝试搞清楚TLS的原理，均没有彻底搞清楚。这一次是第三次，我沉浸glibc的源码和kernel的源码中，做了一些实验，也有所得。对 Linux 的线程有了进一步的理解。
   线程是有栈的，我们知道，普通的一个进程，它的栈空间是8M，我们可以通过ulmit -a查看：

stack size (kbytes, -s) 8192


   线程也不例外，线程也是需要栈空间的这句话是废话，呵呵。对于属于同一个进程（或者说是线程组）的多个线程他们是共享一份虚拟内存地址的，如下图所示。这也就决定了，你不能无限制创建线，因为纵然你什么都不做，每个线程默认耗费8M的空间（事实上还不止，还有管理结构，后面陈述）。Ulrich Drepper大神有篇文章《Thread numbers and stacks》，分析了线程栈空间方面的计算。如果我们真的需要很多个线程的话，幸好我们还是可以做一些事情。我们可以通过pthread_attr_setstacksize,设定好stack size属性然后在pthread_create.

1. int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);
2.
3. int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
4. void *(*start_routine) (void *), void *arg);

 

   线程栈如上图所示，共享进程（或者称之为线程组）的虚拟地址空间。既然多个线程聚集在一起，我怎么知道我要操作的那个线程栈的地址呢。要解决这个问题，必须要领会线程和进程以及线程组的概念。我不想写一堆片汤话，下面我运行我的测试程序，然后结合现象分析原因：
www.it165.net
 

001. #include
002. #include
003. #include
004. #include
005.
006. #define gettid() syscall(__NR_gettid)
007.
008. pthread_key_t key;
009. __thread int count = 2222;
010. __thread unsigned long long count2 ;
011. static __thread int count3;
012. void echomsg(int t)
013. {
014. printf("destructor excuted in thread %x,param=%x\n",pthread_self(),t);
015. }
016.
017. void * child1(void *arg)
018. {
019. int b;
020. int tid=pthread_self();
021.
022. printf("I am the child1 pthread_self return %p gettid return %d\n",tid,gettid());
023.
024. char* key_content = malloc(8);
025. if(key_content != NULL)
026. {
027. strcpy(key_content,"ACACACA");
028. }
029. pthread_setspecific(key,(void *)key_content);
030.
031. count=666666;
032. count2=1023;
033. count3=2048;
034. printf("I am child1 , tid=%x ,count (%p) = %10d,count2(%p) = %10llu,count3(%p) = %6d\n",tid,&count,count,&count2,count2,&count3,count3);
035. asm volatile("movl %%gs:0, %0;"
036. :"=r"(b) /* output */
037. );
038.
039. printf("I am child1 , GS address %x\n",b);
040.
041. sleep(2);
042. printf("thread %x returns %x\n",tid,pthread_getspecific(key));
043. sleep(50);
044. }
045.
046. void * child2(void *arg)
047. {
048. int b;
049. int tid=pthread_self();
050.
051. printf("I am the child2 pthread_self return %p gettid return %d\n",tid,gettid());
052.
053. char* key_content = malloc(8);
054. if(key_content != NULL)
055. {
056. strcpy(key_content,"ABCDEFG");
057. }
058. pthread_setspecific(key,(void *)key_content);
059. count=88888888;
060. count2=1024;
061. count3=2047;
062. printf("I am child2 , tid=%x ,count (%p) = %10d,count2(%p) = %10llu,count3(%p) = %6d\n",tid,&count,count,&count2,count2,&count3,count3);
063.
064.
065. asm volatile("movl %%gs:0, %0;"
066. :"=r"(b) /* output */
067. );
068.
069. printf("I am child2 , GS address %x\n",b);
070.
071. sleep(1);
072. printf("thread %x returns %x\n",tid,pthread_getspecific(key));
073. sleep(50);
074. }
075.
076.
077. int main(void)
078. {
079. int b;
080. pthread_t tid1,tid2;
081. printf("hello\n");
082.
083.
084. pthread_key_create(&key,echomsg);
085.
086. asm volatile("movl %%gs:0, %0;"
087. :"=r"(b) /* output */
088. );
089.
090. printf("I am the main , GS address %x\n",b);
091.
092. pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
093. pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
094.
095. printf("pthread_create tid1 = %p\n",tid1);
096. printf("pthread_create tid2 = %p\n",tid2);
097.
098. sleep(60);
099. pthread_key_delete(key);
100. printf("main thread exit\n");
101. return 0;
102. }

    这是一个比较综合的程序，因为我下面要多次从不同的侧面分析。对于现在，我们要展示的是进程 线程 线程组的关系。在一个终端运行编译出来的test2程序，显示的信息如下：
 

 

另一个终端看ps信息，ps显示的信息如下：
 

 

    直接ps，是看不到我们创建的线程的。只有3658一个进程。当我们采用ps -eLf的时候，我们看到了三个线程3658/3659/3660，或者称之为轻量级进程（LWP）。Linux到底是怎么看待这三者的关系的呢：
    Linux下多线程程序，一般都是有一个主进程通过调用pthread_create创建了一个或者多个子线程，如同我们的程序，主进程在main中创建了两个子进程。那么Linux到底是怎么看待这些事情的呢？

 

1. pid_t pid;
2. pid_t tgid;
3. ...
4. struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */

   上面三个变量是进程描述符的三个成员变量。pid字面意思是process id，其实叫thread id会更合适。tgid 字面含义是thread group ID。对于存在多个线程的程序而言，每个线程都有自己的pid，没错pid，如同我们例子中的3658/3659/3660,但是都有个共同的线程组ID （TGID）：3658 。
   好吧，我们再重新说一遍，对于普通进程而言，我们可以称之为只有一个LWP的线程组，pid是它自己的pid，tgid还是它自己，线程组里面只有他自己一个光杆司令，自然group_leader也是它自己。但是多线程的进程（线程组更恰当）则不然。开天辟地的main函数所在的进程会有自己的PID，也会有也TGID，group_leader,都是他自己。注意，它自己也是LWP。后面他使用ptherad_create创建了2个线程，或者LWP，这两个新创建的线程会有自己的PID，但是TGID会沿用创建自己的那个进程的TGID，group_leader也会尊创建自己的进程的进程描述符（task_struct)为自己的group_leader。copy_process函数中有如下代码：

 

01. p->pid = pid_nr(pid);
02. p->tgid = p->pid;//普通进程
03. if (clone_flags & CLONE_THREAD)
04. p->tgid = current->tgid；//线程选择叫起它的进程的tgid作为自己的tgid
05. ....
06. p->group_leader = p;//普通进程
07. INIT_LIST_HEAD(&p->thread_group);
08. ...
09. if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
10. current->signal->nr_threads++;
11. atomic_inc(¤t->signal->live);
12. atomic_inc(¤t->signal->sigcnt);
13. p->group_leader = current->group_leader;//线程选择叫起它的进程作为它的group_leader
14. list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group);
15. }

   OK,ps -eLf中有个字段叫NLWP，就是线程组中LWP的个数，对于我们的例子，main函数所在LWP+两个线程 = 3.
   我们传说的getpid函数，本质取得是进程描述符的TGID，而gettid系统调用，取得才是每个LWP各自的PID。请看上面的图片输出，上面连个线程gettid返回的是3873和3874,是自己的PID。稍微有点毁三观
   除此外，需要指出的是用户态pthread_create出来的线程，在内核态，也拥有自己的进程描述符task_struct（copy_process里面调用dup_task_struct创建）。这是什么意思呢。意思是我们用户态所说的线程，一样是内核进程调度的实体。进程调度，严格意义上说应该叫LWP调度，进程调度，不是以前面提到的线程组为单位调度的，本质是以LWP为单位调度的。这个结论乍一看惊世骇俗，细细一想，其是很合理。我们为什么多线程？因为多CPU，多核，我们要充分利用多核,同一个线程组的不同LWP是可以同时跑在不同的CPU之上的，因为这个并发，所以我们有线程锁的设计，这从侧面证明了，LWP是调度的实体。