目录

一.线程的概念

1.什么是线程？

2.Linux 系统对线程的实现

线程比进程要更轻量化体现在什么方面？？

线程切换较进程切换效率高的原因？？

①cache缓存（主要原因）

②寄存器的刷新（次要原因）

3.线程的理解（原理）

4.Linux 线程的周边概念

a.线程的优点

b.线程的缺点

c.线程的独立资源（同一进程内）

d.线程的共享资源（同一进程内）

二.线程控制

1.线程的创建

a.pthread_create —— 原生线程库

①函数详解

② pthread 线程库的底层原理

b.thread —— C++线程库

2.线程的终止

a. return —— 线程自然返回

b. pthread_exit (void* retval)

c. pthread_cancel (tid)

d. 信号终止

e. 主线程退出

3.线程等待

a.什么是线程等待？

b.为什么要线程等待？

c.如何进行线程等待？

①pthread_jion —— 原生线程库

②join —— C++11线程库

三.多线程

1.多线程的创建

2.线程的局部存储

3.线程分离

4.线程互斥

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一.线程的概念

1.什么是线程？

课本概念：线程是比进程更加轻量化的一种执行流，或者说，线程是在进程内部的一种执行流。

我的理解：进程是承担分配系统资源的基本实体，而线程则是CPU调度的基本单位。

进程和线程的联系与区别，图解如下：

2.Linux 系统对线程的实现

a.对于Linux系统，线程复用了进程的数据结构和管理算法（如：线程间切换、线程的调度、阻塞、运行、挂起）

b.在Linux系统中，线程是在进程“内部”执行的。由于任何执行流的执行都需要有资源作依托，而程序地址空间又是进程的资源分配窗口，所以可以说，线程的资源分配，本质就是分配地址空间范围！！

c.在Linux系统中，由于进程的整体资源被线程分配得更少了，所以线程的执行粒度要比进程更“细”。

线程比进程要更轻量化体现在什么方面？？

①由于线程所用到的资源更少，所以，线程的创建和释放更加轻量化

②相比于进程间切换，线程间切换更轻量化

线程切换较进程切换效率高的原因？？

①cache缓存（主要原因）

线程间切换时，不需要更新cache里面的热数据。CPU访问内存上的代码是一件较为耗时的事，而根据局部性原理，CPU会将内存上所访问位置周围的多条代码一次全部拷贝到CPU的cache（硬件级的缓存，集成在CPU内部）上，从而减少CPU访问内存的次数，提高效率。而cache在缓存时是以进程为单位的，所以线程间切换不需要刷新cache，而进程间切换需要！！

②寄存器的刷新（次要原因）

相较于进程间切换，线程间切换时，刷新的CPU寄存器更少 。CPU上有特殊的寄存器指向地址空间、页表和上下文的保存，进程间切换时，这部分的寄存器会被覆盖刷新；而线程切换时，只需覆盖一些程序运行时产生临时数据的寄存器即可。换句话说，进程间切换，需要刷新CPU上的所有寄存器；而线程间切换，只需要刷新少量的、特殊的寄存器。

3.线程的理解（原理）

创建线程和创建进程的目的都是让它们各自做各自的事，二者有什么区别？

创建线程，它是在进程内部创建的，OS不会单独为线程创建地址空间、页表、文件描述符表...等资源，仅是多创建了一个task_struct结构体，线程会与主线程共享同一套地址空间等资源；

创建进程，OS不仅会为其创建一个task_struct，还会为其开辟地址空间、页表等大量资源，所以说，进程是承担分配系统资源的基本实体，进程的创建要消耗更多的系统资源，它是很“重”的！！

ps -aL 查看线程的指令

LWP （Light Weight Process , 轻量级进程，即线程）

总结，什么是线程？？

Linux系统，没有真正意义上的线程，它是用进程的 task_struct 和 数据结构 来模拟的线程，我们以前所学的进程，其实只是其内部只有一个执行流（主执行流）的特殊情况。其实，一个进程内部可以有多个执行流，Linux上所有的执行流统称为轻量级进程LWP ，也就是线程！！

4.Linux 线程的周边概念

a.线程的优点

①轻量化，由于线程所占据的资源更少，所以，线程的创建和销毁更加的轻量化。

②调度效率高，CPU对线程的调度要比对进程的调度更加高效（原因上文有过详细解释）。

b.线程的缺点

①缺乏访问控制，在一个进程中，由于线程会共享大部分资源，所以可能会有个别线程访问某些数据、函数会对进程整体造成影响，牵一发而动全身。

同时，编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了本不该共享的数据，而造成不良影响的可能性是很大的，且难以调试。

②同一进程内，但凡有一个线程因收到异常信号而被终止，整个进程内的所有线程都会被终止！！

c.线程的独立资源（同一进程内）

①*寄存器（就一组，存线程的上下文数据，独立的上下文能够保证线程是被独立调度的）

②*栈（保存线程在运行时形成的各种临时变量）：独立的栈结构能够保证线程间运行不会出现执行流错乱问题。

③ID、errno、信号屏蔽字（block表）和调度优先级

每一个线程在运行时都要有自己独立的栈结构，因为每一个线程都会有自己的调用链，栈结构会保存线程在运行时产生的临时变量，它存在的意义，本质就是为了支持我们在应用层管理“整个调用链中临时变量空间的开辟和释放”

d.线程的共享资源（同一进程内）

①*文件描述符表

②地址空间上的代码区、全局变量区、堆区、共享区等

③每种信号的处理方式（handler表）

④当前工作目录、用户id和组id

a.pthread_create —— 原生线程库

①函数详解

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

功能：创建一个新线程，并给新线程赋予任务。

参数一：tid 是由原生线程库自动生成的线程标识符，*tid是输出型参数。

参数二：*attr 也是输出型参数，用于获取线程的属性数据。

参数三：函数指针，void*()(void*)，指向线程所执行的入口函数，函数参数需要我们自定义传入。

参数四：是给参数三（函数指针指向的函数参数）传递的实参。

返回值：若线程创建成功，返回0；否则返回错误码。

② pthread 线程库的底层原理

pthread_create() 库函数底层封装的是 clone() 系统调用接口（轻量级进程的接口），而 clone() 函数会开辟一块空间给新创建的线程，充当新线程的栈！！

当调用了 pthread 库函数的可执行程序加载到内存时，由于 pthread 是动态库，所以 pthread 库也要被加载到内存，并通过页表映射到地址空间共享区内！

至于线程ID是多少？栈空间多大？回调函数地址在哪？线程自己的时间片是多少？线程当前的状态？...... 等，一切都由 pthread库 维护、管理。

每一个 pthread 线程库（动态库，实质在内存上）级别的tcb（管理线程的结构体——线程控制块）的起始地址（在进程地址空间上），叫做线程的tid！！

主线程用程序地址空间里的栈，而轻量级进程创建的栈结构是在共享区内，具体来讲是在pthread库内对应线程的 tcb结构体 中。

b.thread —— C++线程库

template <class Fn, class... Args>  explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

功能：创建一个新线程，并使新线程执行任务 fn，args 是函数 fn 的参数。

例如：

void increase_global (int n); 入口函数

thread new_thread = std::thread(increase_global,1000); 创建线程

注意：由于该构造函数被 expilcit 修饰，故 thread 不支持隐式类型转换。

2.线程的终止

a. return —— 线程自然返回

当线程函数执行到return语句时，线程会自然结束其执行，并释放所占用的资源。

b. pthread_exit (void* retval)

pthread_exit() 函数是 POSIX 线程库中用于显式终止线程的函数，当线程调用 pthread_exit() 时，它会立即终止执行，并返回退出状态给主线程，该退出状态可以通过 pthread_join() 函数来获取。

c. pthread_cancel (tid)

pthread_cancel() 函数用于向目标线程发送取消请求，尝试终止该线程的执行，通常在主线程内调用 , 终止指定的线程。

d. 信号终止

线程也可以通过接收信号来终止执行。在Linux中，可以向线程发送信号，如SIGTERM（软件终止信号）。线程可以通过信号处理函数来响应这些信号，执行清理操作后退出。

e. 主线程退出

在Linux中，当主线程退出时，整个进程（包括所有线程）通常会随之终止。

终止线程的错误方法——exit()，任何一个线程调用exit()，都代表整个进程的退出！！

3.线程等待

a.什么是线程等待？

简单来讲，就是进行线程的资源回收，拿到线程的退出信息，以免造成资源泄露。

b.为什么要线程等待？

① 新线程被创建，主线程也要进行等待，若主线程不等待，也会造成类似僵尸进程问题。

② 为防止新线程内存泄漏，和获取新线程的退出信息，主线程要进行线程等待。

c.如何进行线程等待？

①pthread_jion —— 原生线程库

int pthread_jion (pthread_t  tid , void** retval);   

功能：对目标线程进行线程等待，拿到该线程的退出信息，并对其进行资源释放。

retval是输出型参数    *retval 就是void*(*start_routine)(void*)函数（线程入口函数）的返回值

成功，返回0；失败，返回错误码。

当主线程执行到pthread_join时，若等待的目标线程仍未退出，则主线程阻塞等待！！

线程的参数和返回值，不仅仅可以用来进行传递一般参数，也可以传递对象！！

②join —— C++11线程库

void join();

功能：将目标线程变成 non_joinable 状态，使其能够被安全释放。

注意：只有当目标进程退出后，才会执行 join() 函数，若否，则会阻塞住调用 join() 的执行流。

C++11中的线程库 —— thread，其底层封装了Linux系统和Windows系统的原生线程库，使其具有跨平台性！！

三.多线程

1.多线程的创建

在一个循环中多次调用 pthread_create() 即可创建多个线程，如上图。创建出来的所有新线程都会进入 Entry() 函数。

其中每个线程的 Entry() 函数，都在线程自身的栈结构内，多线程间不共享各自栈结构内的数据。

线程之间没有秘密可言，同一进程内每个线程的所有数据都是可以被其他线程看到的，包括线程栈结构内的数据（如用一个全局的指针），只不过我们一般不会这么做。

全局变量是被所有的线程同时看到并访问的！

2.线程的局部存储

那么，如果我们想要使某一全局变量被线程私有呢？

--- 线程的局部存储（即每个线程独立使用该全局变量），__thread int g_val = 100;  让全局变量被 ”__thread“修饰即可，即线程的局部存储。

注意：__thread 是编译选项，只能修饰线程的局部存储且只能修饰内置类型数据，自定义类型不能用__thread 修饰！！

__thread，线程的局部存储有啥用？？--- 它允许为每个线程分配独立的存储空间，从而避免了变量共享所带来的线程安全问题，因此不需要通过锁或其他同步机制来访问这些数据，从而减少了同步开销。

3.线程分离

默认情况下，新创建的线程是 joinable（需要被等待）的，线程退出后，需要对其进行线程等待，否则无法释放资源，从而造成系统内存泄漏。

但如果我们不关心线程的返回值，线程等待就成了一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动回收其资源即可！