关于线程（概念| 优缺点| 创建| 异常| 操作）

背景

在创建一个进程时，操作系统做了以下的工作：
1、创建一个进程所需要的各种数据结构（pcb、地址空间、页表、与文件的关系，父子关系等等）
2、开辟物理内存，把硬盘上的代码和数据加载到物理内存中。
3、把虚拟地址空间和物理内存通过页表建立映射关系。

所以，创建一个进程就是一个执行流从无到有的过程。在这个过程中，我们申请了很多资源，创建了很多东西。

当CPU调度时，要找到对应进程的代码和数据。

如果再想创建一个进程，重复上述过程。

---

线程的概念

进程的概念：是承担分配系统资源的基本实体。（从操作系统观点），为了承担系统资源，操作系统为进程创建了大批数据结构和大批的内存块，以承载该进程的代码和数据。

线程：是调度的基本单位，线程是进程内部的执行流！

什么叫做线程在进程内部？

• 线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行。 所有的线程用的是同一个进程的地址空间。

进程和线程的对应关系应该是一对多，一个进程内有多个执行流（线程）。

站在线程的角度，怎么理解之前的单进程？

• 内部只有一个执行流的进程。

现在应该如何看待task_struct呢？

• 之前我们认为是进程控制块，现在更新了一下视角：在Linux中，没有真正意义上的线程（指的是Linux在设计线程时没有专门为它设计数据结构），线程是用进程模拟的。
  【原因是，站在Linux角度，进程与线程本质都是要处理事物，具有相同属性，因此不必设计两种结构。】
• 这个模拟性体现在，在Linux中，依旧使用task_struct来表示一个线程。在地址空间中，如果只有一个task_struct，认为它是一个具有单执行流的进程；如果有多个时，认为它是具有多个执行流的进程。
• 之前认为task_struct背后挂靠的都是一个地址空间、一套页表和代码和数据；现在在CPU看来，task_struct背后有可能挂靠的是和别的task_struct共享的地址空间（也就是说这时，它只会使用地址空间的一部分）。

从CPU角度，现在它看到的task_struct都要比传统的进程更加轻量化，因此，线程也叫作轻量级进程。

线程的优缺点

优点

1、创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
2、与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
3、线程占用的资源要比进程少很多
4、能充分利用多处理器的可并行数量
5、在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
6、计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
7、I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

缺点

1、性能损失
2、健壮性降低
3、缺乏访问控制
4、编程难度提高

线程创建

线程的管理依靠的是pthread库。

创建一个线程，应用的是函数pthread_create

#include 

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, 
void *(*start_routine)(void*), void *arg);

参数：
thread:返回线程ID（操作系统不知道这个id，是由库提供的）
attr:设置线程的属性，一般设置为NULL表示使用默认属性
start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数
arg:传给线程启动函数的参数

• 创建一个线程

此时现阶段有两个执行流。如何证明？

• 一份代码有两个死循环，所以它们应该同时运行。

且生成的可执行程序是动态链接的。

./mythread 是一个进程，但有两个执行流，如何证明这两个执行流来自一个进程？

• ps -aL查看轻量级进程，发现它们的PID是一样的。
  

LWP（系统角度）

在上图，我们发现有一个重要标识LWP (light weight process，轻量级进程)：对进程的标识作用，调度时用的是LWP。

我们知道Linux中没有真正意义上的线程，在对线程的管理是依靠pthread库来完成的。要管理就要描述和组织线程，需要有描述线程的结构体，在用户区创建一个线程的实体，但在操作系统中需要有一个执行流跟它关联起来，也就是LWP。

线程实体与LWP是有对应关系的。可以简单理解为用户区线程实体结构体中包含对应的轻量级进程ID。
不同的操作系统对应关系是不一样的，在Linux中是一一对应的。

总结为，操作系统底层为我们提供线程的执行功能；而用户级别提供用户空间的线程管理功能。

函数pthread_self获取当前线程的线程id：

线程ID（用户角度）

这个ID绝不是前面提的轻量级进程ID！ LWP是系统层面的，而该ID是用户层面，也就是库提供的。
pthread_create函数的第一个参数，指向的是一个虚拟的内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID。

也就说，动态库要被加载到共享区中，库里一定会包含描述线程的结构体，把这些结构体按照数组的形式组织在一起。线程ID可以理解成该线程在库当中，描述它自身结构的结构体的内存位置的起始地址。 这也就解释的通，为什么上图中打印出来的ID这么像地址！

线程异常

创建一个进程，此时该进程只有一个执行流，pthread_create执行完毕后，创建了新的线程，此时有了两个执行流。

新线程执行时如果出现除零错误，操作系统识别到硬件异常，确定是哪个进程让我的CPU执行除零，向对应进程发送信号【注意：信号发送的基本单位是进程！】，然后进程的资源就被释放掉了，此时在进程中滋生的一堆线程也要使用这些资源，但资源已被释放，所以这些线程也就随之崩溃了。

因此，线程健壮性不强，只要众多中有一个出现崩溃，整个都会崩溃。

线程用途

1、合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率。
2、合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）

进程与线程

进程与线程相比：

进程更强调独立性，但又不是绝对独立，比如fork创建子进程，进程间通信等等，都会出现资源共享的情况。

线程更强调共享，但又不是绝对共享，还有部分是自己私有的：线程ID、一组寄存器、栈、errno、信号屏蔽字、调度优先级。

其中，要特别注意：线程私有线程运行栈！每个线程都有自己的运行栈。如果栈是共享的话，栈的FILO特性会让整个数据变得混乱；每个线程都有一套自己的寄存器！（也叫硬件上下文/任务状态段tss）这个证明线程是会被切换的。

各线程会共享进程资源和环境：文件描述符表、每种信号的处理方式(SIG_ IGN、SIG_ DFL或者自定义的信号处理函数)、当前工作目录、用户id和组id。

线程等待

新线程必须被主线程等待，如果不等待就会造成类似于僵尸进程这样的问题，导致内存泄漏。

默认都是以阻塞方式等待。

关于线程的等待，我们并不用关心异常的情况，因为默认是不会错的，一旦出现错误，就是进程要去处理的。会给进程发信号，所以信号是专门为进程设计的。

int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

thread：线程ID
value_ptr：它指向一个指针，该指针指向被等待线程的返回值。
返回值：成功返回0；失败返回错误码

#include
#include
#include
#include
#include
void* thread_run(void* arg)
{
     
	printf("%s, %lu, pid:%d \n",(char*)arg, pthread_self(), getpid());
    sleep(5);
    return (void*)10;
}

int main()
{
     
   pthread_t tid;
   pthread_create(&tid, NULL, thread_run, "thread 1");

   printf("main : %lu, pid:%d\n",pthread_self(), getpid());
   
   void* ret = NULL;
   pthread_join(tid, &ret);
   printf("thread quit code: %d\n",(long long)ret);
}

线程终止

如果需要只终止某个线程而不终止整个进程,可以有三种方法:

1. 从线程函数return。这种方法对主线程不适用,从main函数return相当于调用exit。
2. 线程可以调用pthread_ exit终止自己。
   注意：exit是终止进程，pthread_exit终止线程。
3. 一个线程可以调用pthread_ cancel终止同一进程中的另一个线程。

void pthread_exit(void *value_ptr);

value_ptr：value_ptr不要指向一个局部变量。因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

返回值：无返回值，跟进程一样，线程结束的时候无法返回到它的调用者（自身）

int pthread_cancel(pthread_t thread);

thread：线程ID

返回值：成功返回0；失败返回错误码

线程分离

int pthread_detach(pthread_t thread);

如果不关心线程的返回值时，可以对线程分离。告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。

可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离。

---