Linux线程理解

各位大佬大家好，我是猪皮兄弟

一、线程概念

通过一定的技术手段，将当前进程的资源以一定的方式划分给不同的task_struct(CPU只管调度)
但是这种方式的task_struct和之前最大的区别就是不再重新申请地址空间，不再重新申请页表，创建出来伸手要资源就可以了
那么这里面的每一个task_strcut我们就可以叫做一个线程

线程在进程内部执行：线程在进程的地址空间内运行,因为共享一个地址空间

线程是OS调度的基本单位，CPU不关心执行流是线程还是进程，它只关心task_struct

Linux特有线程方案

这种方案是Linux特有的：
不同的操作系统有不同的实现方案，只要满足了调度比进程更轻，创建，维护成本更低，那么它就是线程

只是说，在Linux中，没有专门为线程设计单独的数据结构

在Windows当中，就有真正的线程
系统中存在大量进程，就意味着存在大量的线程
如果创建特定的数据结构，这个结构中的代码，逻辑等等，其中有相当一部分是非常类似的，所以如果想Windows这样单独设计，那么很多工作是重复的

所以Linux决定，没必要在内核层面区分进程和线程，所有进程和线程都通过task_struct来统一表示，只不过进程有独立的地址空间，线程共享地址空间

二、什么是进程？

资源角度

在用户视角：
进程 = 内核数据结构 + 代码和数据
在Linux当中，进程是可以有多个PCB的，因为这时Linux的特有方案，线程也是PCB，没有设计新的数据结构，都是PCB(task_struct)

在内核视角
进程是承担分配系统资源的基本实体
第一个PCB创建的时候，向OS申请PCB，进程地址空间，页表，这些都是在申请系统资源，以进程的身份，而后面线程就是直接像进程要

在没有学习线程的时候，我们写的代码叫做内部只有一个执行流的进程，有了线程，进程就是内部有多个执行流的进程

那么进程就是一大批的执行流(最少一个)+地址空间、页表等数据结构+进程所对应的代码和数据整体以基本单位 的方式向OS申请对应资源（我们可以称task_struct为进程内部的一个执行流）

在CPU的视角

CPU并不关心他是进程还是线程，它只认识task_struct,CPU调度的是这个结构体，它只关心一个执行流(所以线程是操作系统调度的基本单位)

轻量级进程

在Linux下，PCB<=其他OS内的PCB，这叫做量级更轻
当我们一个进程只有一个执行流的时候，PCB==其他OS内的PCB
Linux下的进程，我们统一称之为：轻量级进程

三、pthread线程库初使用

pthread库的介绍

因为Linux并没有真正的线程结构，所以Linux并不能直接给我提供线程相关结构，只能给我们提供轻量级进程的接口

我们不可能说重新去为了这一个Linux独特的设计去重新学习什么是轻量级进程，接口怎么使用，所以反正我用户只知道进程和线程

那么，就有了POSIX标准的pthread线程库

pthread_create

参数一是线程id，但是它其实是一个地址，每个线程都会在pthread共享库维护一块数据，线程id，线程局部存储，线程栈，所以干脆就拿这部分的起始地址做线程id，线程的调度和内核数据结构是OS维护，其他的都是pthread原生线程库在维护
参数二是线程属性，一般我们可以不用管，传nullptr
参数三是函数指针(返回类型void*,参数类型void*)也就是说可以接受任何类型，这个函数就是创建线程之后自动调用的线程函数，也就是回调函数
参数四是给这个函数的参数，线程创建后，会把参数四传给参数三，从而完成回调

创建成功，返回0，失败，返回错误码，线程未定义

#include 
//需要注意的是，在编译的时候需要链接第三方库
//因为它是第三方库，所以我们需要手动链接
//编译加上  -lpthread表示link pthread线程库
void* threadRun(void*args)
{
	const string name = (char*)args;//名字
	while(true)
	{
		cout<<name<<",pid: "<<getpid()<<endl;
		sleep(1);
	}
}

int main()
{
	pthread_t tid[5];//unsigned long int
	char name[64];//线程名字，参数四需要
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		snprintf(name,sizeof(name),"thread-%d",i+1);
		//格式化到字符串中，设置名字
		pthread_create(tid+i,nullptr,threadRun,(void*)name);
		sleep(1);
	}
	while(true)
	{
		cout<<"main thread,pid: "<<getpid()<<endl;
		sleep(3);
	}
	return 0;
}

得出结论：这些线程是在一个进程当中运行的(指的是共用进程资源)

ps -aL #查看轻量级进程
-L#表示轻量级进程 light weight process

PID相同说明属于同一个进程，但是还有一个字段不同
LWP - light weight process轻量级进程
LWP就是轻量级进程的ID
PID和LWP相同的就是主执行流

当只有一个执行流的时候，我们说看PID，因为单执行流PID==LWP所以无所谓，现在我们需要看 LWP
当我们杀掉一个进程的时候，一个进程内的全部执行流就都停止了，因为线程是依靠进程的，线程的所以资源都是找线程要的，所以进程/主线程挂掉，全部执行流就都挂掉

四、线程如何看待进程内部的资源

大部分资源，线程是共享的
比如：
文件描述符表(进程打开的所有文件)
每种型号的处理方式(SIG_DFL,SIG_IGN或者自定义)
当前工作目录
用户id和组id/谁起的这个线程，用户所属组
代码区(写一个函数，所有线程都能用，只要找到)
全局变量(已初始化，未初始化)
堆区(堆区也是共享的，malloc的空间如果愿意，也可以其他线程使用，但是一般都是在自己线程函数里面申请，所以其他线程不方便拿到地址，但是确实是共享的，基于以上原因，我们一般看做私有)
共享区
栈区（严格来说，可以共享，但是地址不方便拿到，所以我们不这么干，也认为栈是私有的，但是如果想的话也可以）

有些资源是私有的
比如
线程id
一组寄存器（线程上下文）
栈(每个线程需要调用自己的函数完成某种功能，一定涉及到出栈入栈，形成的临时变量需要保存到栈里面，所以需要有自己的私有栈(允许独自占用))

五、进程vs线程

如果调度的是一个进程内的若干个线程
1.地址空间不需要切换，虽然这也就是一个寄存器的值
2.页表不需要切换，也是一个寄存器的值
这些东西成本不高，不是顺手的事吗

但是进程和线程相比，切换成本高的核心原因是CPU内部有缓存的(硬件级别的缓存 三级高速缓存cache)，因为是硬件级别的缓存，速度才能和CPU相比
如果一条指令就要访问一次内存，那效率就太低了，所以当CPU读指令的时候，CPU中会有缓存，同时会加载当前指令后面的部分指令进去(预读)，以后再执行的时候，有非常大的概率在CPU内部就完成对指令的操作(通过三级高速缓存cache)—>称作局部性原理

正因为CPU有这个特性，从概率上来讲，可以被直接优化，多个线程直接从缓存中就可以读取，提高线程效率

如果是进程间切换，因为进程的独立性，一旦切换，对应的cache就立即失效，只能重新缓存，成本非常高，所以线程切换更轻量化的原因其实是在这里

但是呢，也不是线程越多越好，有些时候，创建太多，实际上CPU还要进行线程切换，虽然成本比进程切换低，但是依旧有成本，那么有可能创建太多这个主要矛盾就不是任务本身了，而是线程的切换成本

计算密集型：比如我要对10个G的文件加密，实行各种算法，这就叫做计算密集型，比如说我把文件拆成1G，创建十个进程，再合并起来，但是呢，如果计算机是单核的，不如只要一个线程去加密，效率反而高

I/O密集型
大多时候都在做I/O，创建的线程可以多一些，但是一般也就是创建线程总数基本上等于CPU的核数

六、线程缺点

1.性能损失
这个其实不算线程的问题，而是线程创建多少的问题
2.健壮性降低
一个线程出了问题，很容易出问题
比如主线程挂掉就都挂了，侧面说明了健壮性太差
3.缺乏访问控制
多进程好歹有一个写时拷贝来防止进程访问时的安全问题
而线程大部分是共享的，访问的时候不知道别人有没有访问，所以同时在访问，容易出问题，但是也有解决方案。但是缺乏访问控制也带来了一定的好处,比如交互数据时成本变低
4.编程难度变高
主要是因为多线程程序难调试，比如说除了一个问题，但是呢并不是这个问题本身，而是线程之间导致的