linux java多核cpu多线程分配 linux的多线程

目录

一、线程的概念和理解

线程的优点

线程异常：

二、线程TID的内容

1、主线程退出，整个线程退出。

2、线程退出需要等待        

---

本节内容，我们将详细讲解Linux线程的有关知识，并为同学们铺垫多线程的有关知识。

一、线程的概念和理解

理解线程之前，我们需要重新对进程进行理解

我们前面说一个task_struct有着一个进程地址空间，然后有页表，搭建其和物理内存的映射。

我们现在需要重新对进程进行定位理解：

（1）对于CPU来说，它在运行一个进程的时候，其看到的PCB可以是多个，然后共享一份地址空间。（说是PCB其实不够准确，应该叫TCB，但是和PCB非常相似，这里为了引出线程，暂时可以当PCB这样理解）

注意，这里你没有看错，就是多个PCB共享同一块地址空间。允许这样的情况存在。

如上图。

（2）我要提出问题了，那如果这样的话，进程到底是啥呢？

我们之前说进程是一系列的代码和数据以及组织它的数据结构，并且这主要的数据结构就是PCB。为什么会有多个PCB?

那现在呢？这个说法难道要被推翻了吗？

实际上，我们不难发现，我们在进程创建的时候，会在同时创建一大批的系统资源：比如PCB、进程地址空间、页表等。而当存在这样一种情况：多个PCB共享同一块进程地址空间的时候，就会有如上图中三个进程控制块同时指向code区域中的三份不同的代码的情形。我们是允许这样的情况出现的。

希望上述的例子你能够接受。可以不用理解，接受即可。

（3）那我们现在，对线程再做一下定义，线程到底算是什么呢？

我们说，进程是承担分配系统资源的基本实体。

那么线程，是系统调度的基本单位。（线程是在进程的地址空间内运行的）

我们之前说进程是系统调度的基本单位，实际上是不够准确的。

应该是线程。线程是进程的执行流！！！

上面的每一个PCB，都可以认为是一个线程（说法不准确，仅为了在此引出线程、方便理解，阶段性认知错误是必要的哈哈哈）。

所以，一个大的进程内部，是可以有多个线程的。

我们的每一个执行流并不是一个个进程。而是一个个线程。

而我们之前所学的，都是一个进程有一个线程的。即单线程的简单的执行流。

ps：还需要注意的是，在Linux中，是没有真正意义上的线程（注意，这里指的是Linux没有为其专门开辟新的数据结构）。而线程是用进程来模拟的。

为什么呢？线程和进程实际上是拥有许多相同属性的。如果我们再为线程专门去开辟对应的结构，那么调度关系就会变得相对复杂，而复杂的关系一般不会太高效。（不过Windows还是有专门的线程库的）

我们以后该怎么面对PCB呢？

我们依旧讲PCB叫做进程控制块。

不过，如果在一个进程中，如果只有一个PCB，那么该进程就是拥有单线程的进程。

如果有多个PCB，那么其就是拥有多线程的进程。

而所有的PCB/线程，都可以叫做轻量级进程。

结合上面的，我们来总结一下何为线程：

在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）。更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序列”，即更准确地来说，其是在一个进程地址空间内运行的执行流。

所以说，一切进程至少都有一个执行线程。而线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行。

在Linux系统中，在CPU眼中，看到的PCB都要比传统的进程更加轻量化。透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流。
 

线程的优点

1、创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多

2、与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多

3、线程占用的资源要比进程少很多

4、能充分利用多处理器的可并行数量

5、在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务

6、计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现

7、I/O密集型应用，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。

注意：上述进程的优点的后四点也是进程的优点。

虽然Linux操作系统没有为我们提供多线程的库，但是呢，作为用户，我们又要用到多线程，所以，我们就用基于LInux系统开发的第三方库——pthread库  

1）创建线程接口：pthread_creat 

注意，编译链接的时候要加上 -pthread（如下图）

a、这里的第一个参数为线程id（就是我们后面要说的lwp），这个参数OS实际上并不知道，其是基于用户层面上开发的。但是呢，在运行到内核的时候，我们的OS的PCB会与这里的lwp存在着某种对应关系。

就是说，线程的管理和组织不再由OS来管控，而是由用户层的库来管控。我们“先描述、再组织”的方式是放在库里面的了。（稍后我们再来看库里面有什么东西）

b、第二个参数表示线程属性，我们暂且不关心。

c、第三个参数表示线程执行流，说白了，就是去调用这个函数。通过这个函数来去完成新线程的执行流。

d、第四个参数表示第三个函数的参数。

其返回值成功就为0，若出错，就返回相应的错误码。

我们来看下面的一个例子：

原码：

1 #include<stdio.h>  
  2 #include<unistd.h>  
  3 #include<pthread.h>  
  4   
  5   
  6 void* thread_run(void* arg)  
  7 {  
  8   while(1)  
  9   {  
 10     printf("I am %s\n",(char*)arg);  
 11     sleep(1);  
 12   }  
 13 }  
 14   
 15 int main()  
 16 {  
 17   pthread_t rid;  
 18   pthread_create(&rid, NULL , thread_run , (void*)"thread 1");  
 19   
 20   while(1)  
 21   {  
 22     printf("I am main thread\n");
 23     sleep(2);                                                                                      
 24   }
 25    
 26   return 0;
 27 }

运行截图：

可以很容易地发现，我们这里是有两个执行流的。

 

我们可以通过ldd，来查看我们的这个可执行文件链接的动态库。

如上，我们可以看到，其链接的是一个pthread的动态库。 （与我们刚刚在编译的时候的-phread相对应）

那怎么证明我们的两个执行流（线程）是一个进程里的呢？

我们先来认识一个函数：pthread_self

其作用很简单，其是获得当前线程的id

我们将上面的代码改一下:

 

 那么现在，我们对于线程的理解，可以这样来说明了：

我们前面所说的结构体、控制块都是由OS创建并完成。

但是线程由于Linux操作系统没有为其有专门的线程库，我们又要用

所以就在用户层面， 由用户链接第三方库。这个第三方库叫做pthread库

在这个第三方库中，其会有模拟线程描述的结构体，叫tcb，它和PCB功能类似，它用来描述线程和组织线程，也叫做线程实体。

每一个这样的tcb中里面会有一个用来标识线程唯一性的lwp，它将来会以某种关系和PCB连接起来。

而每一个线程实体和Linux内核中的每一条执行流又是一一对应的关系。

所以说，OS为我们提供的是线程的执行功能，而线程的管理和组织是由用户空间来提供的。

来换一张图更加细致地说明：

 左边是我们的进程地址空间，右边是我们链接的动态库

在外面的共享区，会有着pthread维护的结构体，遵循先描述、再组织，每一个结构体当中又会有着tid，线程栈这样的东西。

tid可以认为是该线程控制库在地址空间里的起始地址。

注意，在进程地址空间的栈是主线程栈！其他线程的栈是要在自己的线程栈中的，要不然数据就乱了。

我们解释完毕，再来说说一些其他的基本概念：

线程异常：

单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃

理由：线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出。

因为信号处理的基本单位是进程！所以线程的健壮性不强。

但是，合理的使用多线程，能提高CPU密集型程序的执行效率

合理的使用多线程，能提高IO密集型程序的用户体验（如生活中我们一边写代码一边下载开发工具，就是多线程运行的一种表现）

二、线程TID的内容

我们前面说到，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。

虽然说线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据:（即下面的数据是线程自身私有的）

• 线程ID
• 一组寄存器（上下文）（重要）
• 栈(重要)
• errno
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

进程的多个线程共享 同一地址空间,因此Text Segment、Data Segment都是共享的,

如果定义一个函数,在各线程中都可以调用,如果定义一个全局变量,在各线程中都可以访问到。

除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境:（即下面的资源是各个线程共享的）

• 文件描述符表
• 每种信号的处理方式(SIG_ IGN、SIG_ DFL或者自定义的信号处理函数)
• 当前工作目录
• 用户id和组id

我们接着我们之前的代码，来说说线程退出和等待

1、主线程退出，整个线程退出。

因为进程是承担资源分配的基本实体。当主线程退出的时候，整个进程全部退出。整个进程都不存在了，自然所有的线程就都不会再存在了。

2、线程退出需要等待        

pthread_join()

 第一个参数是需要等到的线程ID，第二个参数是一个一级指针的接收列表。

什么意思呢？

我们还是按照刚刚的例子来说：（稍微改动一下）

 我们通过pthread_join，来将线程tid的返回值拿了回来，然后再将其打印出来。

我们将其返回值打印了出来。 

我们来运行看一下：（其确实拿到了返回值10）

如果不去进行等待，就可能会造成类似于僵尸进程的情况，即我们新创建出来的PCB没有被立即回收。

那么结束线程的方式，我们可以再来总结补充一下都有哪些。

1、函数执行完了，线程结束；

2、通过pthread_exit()函数；该函数的用法和进程当中的exit是相同的。

3、pthread_cancel()函数，从外部将该线程杀掉。即直接在别的线程中调用pthread_cancel(tid)即可。有种人在家中坐，锅从天上来的感觉。

 

与进程不同的是，对于线程，我如果不想要等待，让这个线程自己玩自己的，我们可以让其分离。

用pthread_datch()函数。

来解释一下：

1、默认情况下，新创建的线程是joinable的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏。

2、如果不关心线程的返回值，join是一种负担，这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。（注意，这个时候，我们也是不会再拿到退出码的了）

3、分离的时候，就直接pthread_detach(pthread_self());就可以了。

 

但是需要注意的是，二者还是在一个进程当中，如果有一个出问题了，还是整个进程都会崩掉的。

我们在本节，主要为大家讲解的是线程有关的概念和一些基本操作，我们将在下一节为大家详细地讲解线程之间的同步、互斥以及并发的用法及注意事项等。