Linux——线程概念及私有数据和优缺点

目录

一.什么是线程

二.线程私有的数据

三.线程的优点

四.线程的缺点

五.线程与进程对比

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一.什么是线程

线程是在进程内部运行，一个进程可以有多个线程。

打个比方，假如人是一个进程，那么走路、思考、吃饭、说话作为不同的线程。一个进程能有多个线程同时运行，就好比一个人在走路时还可以思考、说话、吃饭一样。

可以说，线程就是进程的“四肢”，是进程运行的基本单位，是CPU调度的基本单位。

画个草图如下：

总结而言，在一个程序里的一个执行路线就叫做线程，且一个进程至少要有一个执行线程。

线程与进程共享虚拟地址空间、页表等内核数据结构、数据和代码。
线程的数据结构理论上与进程的不同，但基于线程和进程的相似性，linux的线程数据结构依旧采用
task_struct结构体，与进程的一致。但是其他的操作系统线程有专属的结构，与进程的不同。也就是说，linux没有真正意义上的线程结构，而是采用进程的task_struct结构体模拟的线程。

即便线程与进程都采用task_struct结构体，但是内核数据结构依旧属于进程，线程只是与进程共享。
换句话说，进程 = 多个线程（执行流）+ 内核数据结构 + 数据 + 代码。
而task_struct本质就是进程内部的一个执行流。
对于CPU而言，本质上只是调度task_struct，而不会区分进程还是线程。

图示如下：

二.线程私有数据及区域

所有线程共享进程的内核数据结构、数据及代码，但是每个线程也有自己私有的数据。

比如线程id、寄存器和栈，还有errno、信号屏蔽字（block位图）、调度优先级。

linux的线程数据创建在共享区中，因此，线程结构在共享区中。

linux使用pthread库来创建及管理线程，而pthread作为动态库需要加载到共享区，进而线程创建在共享区中。

线程栈、局部存储数据（__pthread类型变量）及线程id由pthread库函数创建的struct pthread结构体管理。该结构体在共享区，因此，线程的栈也在共享区中。

值得注意的是：

①主线程使用虚拟地址空间中的栈区，只有其他线程使用共享区中分配的栈区。

②线程id（pthread_self()函数返回值）本质是共享区pthread库所分配给该线程空间的起始地址，即id本质是一个地址。

图示如下：

三.线程的优点

①创建线程的代价比创建进程小。创建线程只用创建task_struct结构体，而进程还有相关内核数据结构，加载数据和代码。

②线程切换效率比进程切换高。线程占用系统资源少，切换更高效。线程切换时不会清除缓存数据，进程切换会清除缓存。

③线程可以充分利用CPU多核心的优势（多线程）。可以同时执行不同的任务，使得多个任务能够并发进行。

④多线程可以提高计算密集型和IO密集型应用的效率。计算密集型应用可以将计算分给多个线程处理，IO密集型应用可以使用多线程同时进行不同的IO操作。

四.线程的缺点

①多线程的健壮性差。多线程之间没有数据保护，可能存在因为线程执行顺序问题导致的数据错误。

②缺乏访问控制。线程访问某些系统函数可能会对整个进程造成影响。

③多线程程序调试难度大。多线程代码的调试比单线程困难许多。

五.线程与进程对比

①一个进程可以有多个线程，且只少有一个线程。

②进程拥有内核数据结构、数据及代码，线程只有使用权和必不可少的私有数据如寄存器和栈。

③线程执行效率通常更高，但不安全。

④一个线程异常，整个进程异常。

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如有错误，敬请斧正