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一、线程的概念

(1)线程的定义

在OS书籍中，线程的概念通常是这样的：
线程是在进程内部运行的一个执行分支(执行流)，属于进程的一部分，粒度要比进程更加细，更加轻量化。
通过这段话我们知道，线程与进程的比是n比1的，在其他的操作系统中，由于线程的数量较多，OS需要对线程管理起来，就会存在先描述，后组织这一方式来管理线程。
但是在Linux系统下，并不是这样管理线程的。

(2)Linux下线程的概念

在Linux系统下，当在进程中创建线程时，多个线程共享一个地址空间，它没有专门为线程设计类似PCB的结构体，而是直接用PCB来模拟线程。当前进程的资源(代码+数据)被划分成若干份，让每一个PCB来使用。
在CPU的角度，此时CPU看到的PCB<=之前看到的PCB的概念，一个PCB就是一个需要被调度的执行流。它不关心执行的是一个进程的一部分(线程)，还是整个进程，它只认PCB并处理PCB。
Linux这样处理线程的好处在于，不需要维护复杂的线程与进程的关系，不用单独为线程设计任何算法，直接使用进程的一套方法去处理线程的问题。OS只需要将精力放在线程之间的资源分配上即可。

(3)对进程概念的重新理解

引入线程的概念之后，我们发现，其实进程就是一堆线程的集合。一堆PCB形成了一个进程。进程内其实可以有多个执行流的。
创建进程的成本要比创建线程高，如果创建线程，只需要创建PCB并进行资源分配即可。但如果要创建进程，不仅仅要创建一个PCB还要创创建进程地址空间，页表以及完成与内存之间的映射关系。
因此，在OS的角度来看，进程是承担分配系统资源的基本实体。而线程是CPU调度的基本单位
将线程也使用PCB表示体现了系统设计者对线程的理解至深，Linux系统下的PCB的含义要<=传统意义上的进程。
Linux进程我们也称为轻量化进程。

(4)Linux下线程的接口

由于Linux线程时使用进程的PCB所模拟的，因此创建一个线程和创建一个进程的方式差不多，因此对于用户来说极其不友好。
Linux没有直接提供给我们操作线程的接口，而是给我们提供同一个地址空间创建PCB的方法以及分配资源给指定的PCB的接口。
而一些直接创建线程，释放线程，等待线程等等看起来更加实用的接口，并没有给我们提供。
不过幸运的是，大佬工程师们已经利用Linux提供的接口实现了以上这些比较实用的接口，并打包放在一个原生线程库中(用户层)。我们创建和使用线程的时候，只需要调用该库的接口即可。
比如其中创建进程的接口时pthread_create

(5)线程之间的共享资源

进程相互之间是独立的，这是因为每个进程都有一个独立的进程地址空间。而线程使用同一份进程地址空间，因此它们的大部分资源是共享的，我们只需要记住一些不被共享的资源即可：

线程ID
一组寄存器
栈
errno(错误码)
信号屏蔽字(block)
调度优先级

对于线程之间共享的资源有很多，比如各种信号的处理方式(默认，忽略或自定义)，当前工作目录，文件描述符表(进程的文件)，用户id和组id。同时Text Segment和Data Segment都是共享的，如果定义一个函数，在各个进程中都可以调用，如果定义一个全局变量，在各个进程中也都可以使用。

(6)线程的优点

计算密集型应用：加密，大数据运算，主要使用的是CPU资源。为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中去实现。
I/O密集型应用：网络下载，云盘，ssh，在线直播，看电影网络游戏等。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。

对于计算密集型应用，并不是线程越多越好，线程太多，会导致线程之间被过度调度(有成本)。
对于I/O密集型应用，也不是线程越多越好，不过IO允许多一些线程的，在IO的场景中大部分时间是等待IO就绪的。

二、线程的创建

(1)线程的pid

可以使用上文提及的pthread_create接口来创建一个线程。

它的返回值表示的是，如果创建成功则返回0，失败则返回错误码。第一个参数是一个无符号长整型，它是一个输出型参数，输出线程的id。第二个参数表示的是线程的属性，只不过我们暂时先不需要关心，置为NULL即可。第三个参数是一个返回值为void*，参数为void*的函数，它代表线程要去执行的函数。最后一个参数是传给执行函数的参数。

#include<stdio.h>    
#include<pthread.h>    
#include<unistd.h>    
void* thread_run(void* args)    
{    
  const char* id=(const char*)args;    
  while(1)    
  {    
    sleep(1);                                                             
    printf("I am %s 线程，pid:%d\n",id,getpid());    
  }    
}    
int main()    
{    
  pthread_t tid;    
  pthread_create(&tid,NULL,thread_run,(void*)"thread1");//参数规定是void*类型，因此需要进行强转       
  while(1)    
  {    
    printf("I am main 线程，pid:%d\n",getpid());    
    sleep(1);    
  }    
}    

由于使用了第三方库，因此在编译的时候需要加上-lpthread的选项：

gcc mythread.c -o mythread -lpthread

其中主执行流(main)创建完线程之后，直接执行下方的死循环，而线程thread1则立刻执行它的函数thread_run。
但是他们都属于同一个进程，两者最终打印的pid的值是相同的，将这个pid的值的进程杀死，两个线程都会结束。
而查看线程有一个单独的命令：

ps -aL

此时我们就可以找到进程mythread的两个线程了，可以观察到两者的pid是相同的，但是LWP是不同的，其实LWP就是线程的id，其中第一个mythread线程的PID和LWP是相等的，因此它代表的是主线程。

(2)线程的id

同理我们也可以创建多个线程，可以使用pthread_self()来打印一下主线程的id，这个函数作用是打印其所在的当前线程的id：

#include<stdio.h>    
#include<pthread.h>    
#include<unistd.h>    
#define NUM 5    
void* thread_run(void* args)    
{    
  const char* id=(const char*)args;    
  while(1)    
  {    
    sleep(1);    
    printf("I am %s 线程，我的id是：%lu\n",id,pthread_self());                                                                                         
  }    
}        
int main()    
{    
  int i=0;    
  pthread_t tid[NUM];    
  for(i=0;i<NUM;i++)    
  {    
    pthread_create(&tid[i],NULL,thread_run,(void*)"thread1");    
  }    
  while(1)    
  {    
    printf("I am main 线程，我的id是:%lu\n",pthread_self());    
    sleep(1);    
  }    
}  

(2)线程的崩溃

直接说结论：当一个线程崩溃的时候，整个进程都会崩溃。这里不予验证了。因此线程的健壮性并不强。
线程崩溃的影响时有限的，因为线程时在进程内部，而进程是具有独立性的。

三、线程等待

一般而言，线程时需要被等待的，不等待可能出现类似僵尸进程的场景。
线程的等待函数是:pthread_join

当等待成功时，返回0，失败则返回错误码。第一个参数为被等待线程的id，第二个参数是一个输出型参数，用来获取新线程退出的时候的函数的返回值。线程函数的返回值是void*，使用二级指针来接收该返回值(void*类型)的地址，要输出时，可以解引用拿到该返回值。
当进行线程等待的时候，执行的是阻塞等待，主线程仅仅是等待不做别的内容。

  #define NUM 1    
  void* thread_run(void* args)    
  {    
    const char* id=(const char*)args;    
    while(1)    
    {    
      sleep(10);    
      printf("I am %s 线程，我的id是：%lu\n",id,pthread_self());    
      break;    
    }    
    return (void*)111;    
  }    
      
  int main()    
  {    
    int i=0;    
    pthread_t tid[NUM];    
    for(i=0;i<NUM;i++)    
    {    
      pthread_create(&tid[i],NULL,thread_run,(void*)"thread1");    
    }    
    void* status=NULL;    
    pthread_join(tid[0],&status);                                                                                                                      
    printf("red:%d\n",(int)status);    
    while(1)    
    {    
      printf("I am main 线程，我的id是:%lu\n",pthread_self());    
      sleep(1);    
    }    
  } 

此时令新线程执行10s之后退出，并输出void*类型的退出码111，主线程在创建完新线程之后进行线程等待，并使用status来接收新线程的返回值，最终打印出来。

此时可以观察到主线程等待新线程退出后再开始执行，并且拿到了新线程的退出码111。
当新线程异常的时候，主线程不需要进行处理，因为整个进程都崩溃了。

四、线程的终止

线程的终止有三种方案：

(1)return

当主线程进行return操作，整个进程都退出。
当其他线程进行return操作，只代表当前的线程退出。

(2)pthread_exit

使用退出函数pthread_exit来退出：

它的参数为线程退出的返回值。

pthread_exit((void*)123)

此时主线程拿到的退出码就是123了。

注意，不要使用exit()函数来终止线程，因为使用该函数终止的话，整个进程都会退出。

(3)pthread_cancel

使用取消线程的函数来实现线程的退出：

传递的参数为线程的id,通常传递的是当前线程的id。当取消成功返回0，失败返回错误码。
在主线程中使用pthread_cancel取消线程：

pthread_cancel(tid[0]);

此时我们发现退出码是-1，这说明被取消的线程的退出码都是-1。我们也可以查找一下-1这个值代表的含义：

grep -ER “PTHREAD_CANCEL” /usr/include/pthread.h

此时我们可以看到，它的值是-1的。

同时我们也可以在新线程中取消主线程，此时主线程会出现defanct的失效标志。

五、线程分离

分离后的线程不需要被等待，当执行结束后会自动释放，类似信号中的显示调用子进程忽略，它会自动释放Z状态的PCB。

该函数表示，从当前进程中分离出thread号线程。此时主线程不能对其进行等待(等待失败)，status也拿不到退出码，因为该线程已经与进程中的其他线程分离了。
我们可以首先让线程分离，然后再主线程中用ret接收pthread_join的返回值，如果失败则返回的不是0，同时我们也可以尝试接收一下退出码。

    pthread_detach(tid[0]);    
    int ret=pthread_join(tid[0],&status);    
    printf("ret:%d\n",ret);                                                                                                                            
    printf("red:%d\n",(int)status);    

此时我们发现ret并不是0，并且没有接收到新线程的返回值123。说明线程已经发生了分离。

六、id与LWP

通过以上的例子我们发现，当线程运行起来之后，它的id是很长的一串，但是它在内核中的LWP并不是这个值。
这是因为我们查看到的线程id时pthread库的线程id，而不是Linux内核中的LWP，pthread库的线程id是一个虚拟地址。
在pthread库中有一个类似线程的PCB的东西，它与线程的PCB是一一对应的。

当在进程中创建多个线程的时候，每个线程都有运行时的临时数据，每个线程都有自己私有的栈结构，在进程地址空间中的栈用来存放主线程的栈。而栈与堆之间的空间中存放pthread库中的内容。在pthread库中存放有新线程的栈。id其实就是属性块的起点地址。
类似FILE中的fd，strucr pthread需要包含LWP(线程的PCB)的id，此时就建立起来的关系。