线程的那些事儿

转载于http://edsionte.com/techblog/archives/3254

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1.线程

通过操作系统原理课，我们知道进程是系统资源分配的基本单位，线程是程序独立运行的基本单位。线程有时候也被称作小型进程，首先，这是因为多个线程之间是可以共享资源的；其次，多个线程之间的切换所花费的代价远远比进程低。

在用户态下，使用最广泛的线程操作接口即为POSIX线程接口，即pthread。通过这组接口可以进行线程的创建以及多线程之间的并发控制等。

2.轻量级进程

如果内核要对线程进行调度，那么线程必须像进程那样在内核中对应一个数据结构。进程在内核中有相应的进程描述符，即task_struct结构。事实上，从Linux内核的角度而言，并不存在线程这个概念。内核对线程并没有设立特别的数据结构，而是与进程一样使用task_struct结构进行描述。也就是说线程在内核中也是以一个进程而存在的，只不过它比较特殊，它和同类的进程共享某些资源，比如进程地址空间，进程的信号，打开的文件等。我们将这类特殊的进程称之为轻量级进程（Light Weight Process）。

按照这种线程机制的理解，每个用户态的线程都和内核中的一个轻量级进程相对应。多个轻量级进程之间共享资源，从而体现了多线程之间资源共享的特性。同时这些轻量级进程跟普通进程一样由内核进行独立调度，从而实现了多个进程之间的并发执行。

3.POSIX线程库的实现

用户线程和内核中轻量级进程的关联通常实在符合POSIX线程标准的线程库中完成的。支持轻量级进程的线程库有三个：LinuxThreads、NGPT（Next-Generation POSIX Threads）和NPTL（Native POSIX Thread Library）。由于LinuxThreads并不能完全兼容POSIX标准以及NGPT的放弃，目前Linux中所采用的线程库即为NPTL。

4.线程组

POSIX标准规定在一个多线程的应用程序中，所有线程都必须具有相同的PID。从线程在内核中的实现可得知，每个线程其实都有自己的pid。为此，Linux引入了线程组的概念。在一个多线程的程序中，所有线程形成一个线程组。每一个线程通常是由主线程创建的，主线程即为调用pthread_create()的线程。因此该线程组中所有线程的pid即为主线程的pid。

对于线程组中的线程来说，其task_struct结构中的tpid字段保存该线程组中主线程的pid，而pid字段则保存每个轻量级进程的本身的pid。对于普通的进程而言，tpid和pid是相同的。事实上，getpid()系统调用中返回的是进程的tpid而不是pid。

5.内核线程

上面所描述的都是用户态下的线程，而在内核中还有一种特殊的线程，称之为内核线程（Kernel Thread）。由于在内核中进程和线程不做区分，因此也可以将其称为内核进程。毫无疑问，内核线程在内核中也是通过task_struct结构来表示的。

内核线程和普通进程一样也是内核调度的实体，只不过他们有以下不同：

1).内核线程永远都运行在内核态，而不同进程既可以运行在用户态也可以运行在内核态。从另一个角度讲，内核线程只能之用大于PAGE_OFFSET（即3GB）的地址空间，而普通进程则可以使用整个4GB的地址空间。

2).内核线程只能调用内核函数，而普通进程必须通过系统调用才能使用内核函数。

在多线程程序中，一个新的线程通常由一个进程调用phtread_create()函数而诞生的。新线程创建后，通常将这个进程称为主线程。你也许会有所迷惑：一个进程怎么会编程线程？此刻有几个线程，几个进程？

其实通过上文对线程、轻量级进程以及线程组之间关系的理解后，这个问题似乎也不难回答。我们可以将所有的进程都看作一个线程组，只不过普通进程的线程组只包含它自己一个线程，它不能与其他线程共享资源，只能独享自己的资源（而成为进程）。

对于多线程程序来说，一旦在进程内创建了一个线程，那么该进程也就摇身变成了一个线程。主线程和子线程共享“以前”那个进程所独享的资源。主线程和子线程之间是并列关系，不存在类似fork()函数那样的父子进程关系，这也就是不将创建线程的进程称为父线程的原因。

如果你还对上述的描述有所疑惑，那么通过下面的实验结果可以理解的更加深刻。下述的程序就是一个普通的线程创建，只不过主线程和子线程增加了延时以方便我们查看实验结果。

01
int *thread(void* arg)
02
{
03
    pthread_t newthid;
04
    newthid = pthread_self();//get the current thread's id
05
    printf("this a new thread and thread ID is=%lu\n", newthid);
06
    sleep(500);
07
    return NULL;
08
}
09

10
int main()
11
{
12
    pthread_t thid;
13

14
    printf("main thread,ID is %lu\n", pthread_self());//get the main thread's id
15
    if (pthread_create(&thid, NULL, (void *)thread, NULL) != 0) {
16
        printf("thread creation failed\n");
17
        exit(1);
18
    }
19

20
    printf("my Id is %lu, new thread ID is %lu\n", pthread_self(), thid);
21
    sleep(1000);
22
    return 0;
23
}

`1`	`UID PID PPID LWP C NLWP STIME TTY TIME CMD`

我们带开一个终端（称为终端1）运行上述程序，再另一个终端（称为终端2）里使用ps -eLf命令查看系统当前的线程信息。

 
        2 
        edsionte  2210  2208  2210  0    1 09:10 pts/0    00:00:00 bash 
      
        3 
        edsionte  2429  2210  2429  0    2 09:52 pts/0    00:00:00 ./createthread 
      
        4 
        edsionte  2429  2210  2430  0    2 09:52 pts/0    00:00:00 ./createthread 
      
        5 
        edsionte  2431  2208  2431  5    1 09:52 pts/1    00:00:00 bash 
      
        6 
        edsionte  2449  2431  2449  0    1 09:52 pts/1    00:00:00 ps -eLf

请注意上述信息中三类ID信息：PID，PPID和LWP。LWP是轻量级进程的pid，NLWP为线程组中线程的个数。下面对上述的实验结果作以解释。

1.运行实验程序的终端对应的pid为2210；

2.我们的实验程序产生了两个线程，其pid都是2429。这说明这两个线程是并列关系，它们属于同一个线程组，该线程组的pid为2429。

3.实验程序产生的两个线程的PPID均为2210，再次说明这两个线程之间没有父子关系，他们的父亲均为终端1对应的进程。

4.每个线程都与一个轻量级进程关联，因此两个线程的LWP不同，分别为2429和2430。

5.这两个线程形成一个线程组，因此他们对应的NLWP为2。

6.通过pid，ppid和LWP的分配情况可以看到，内核对于进程和轻量级进程的id分配是统一管理的，这源于他们使用相同的数据结构task_struct。

上述分析基本上用实验结果诠释了进程、线程和轻量级进程之间的关系。