Linux：Linux多线程

给父进程返回子进程的PID。
给子进程返回0。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int g_val = 100;
int main()
{
pid_t id = vfork();
if (id == 0)
{
//child
g_val = 200;
cout << "child:PID:" << getpid() << " PPID:"<< getppid() << " g_val:" << g_val << endl;
exit(0);
}
```
  //father
  sleep(3);
  cout << "father:PID:" << getpid() << " g_val:" <<  g_val << endl;
  return 0;
```
}

可以看到，父进程读取到g_val的值是子进程修改后的值，也就证明了vfork创建的子进程与其父进程是共享地址空间的。

原生线程库pthread

在Linux中，站在内核角度没有真正意义上线程相关的接口，但是站在用户角度，当用户想创建一个线程时更期望使用thread_create这样类似的接口，而不是vfork函数，因此系统为用户层提供了原生线程库pthread。

原生线程库实际就是对轻量级进程的系统调用进行了封装，在用户层模拟实现了一套线程相关的接口。

因此对于我们来讲，在Linux下学习线程实际上就是学习在用户层模拟实现的这一套接口，而并非操作系统的接口。

二级页表

在32位平台下一共有个地址，也就意味着有个地址需要被映射。若页表就只是单纯的一张表，那么就需要建立个虚拟地址和物理地址之间的映射关系，即这张表一共有个映射表项

每一个表项中除了要有虚拟地址和与其映射的物理地址以外，实际还需要有一些权限相关的信息，比如我们所说的用户级页表和内核级页表，实际就是通过权限进行区分的。

每个应表项中存储一个物理地址和一个虚拟地址就需要8个字节，考虑到还需要包含权限相关的各种信息，这里每一个表项就按10个字节计算。

这里一共有个表项，也就意味着存储这张页表我们需要用 * 10个字节，也就是40GB。而在32位平台下我们的内存可能一共就只有4GB，也就是说我们根本无法存储这样的一张页表。

因此所谓的页表并不是单纯的一张表。

还是以32位平台为例，其页表的映射过程如下：

选择虚拟地址的前10个比特位在页目录当中进行查找，找到对应的页表。
再选择虚拟地址的10个比特位在对应的页表当中进行查找，找到物理内存中对应页框的起始地址。
最后将虚拟地址中剩下的12个比特位作为偏移量从对应页框的起始地址处向后进行偏移，找到物理内存中某一个对应的字节数据。

页框、页帧：

物理内存实际上是被划分成一个个4KB大小的页框的（操作系统完成），而磁盘上的程序也是被划分成许多4KB大小的页帧的（编译器编译时完成），当内存和磁盘进行数据交换时（IO）就是以4KB大小为单位进行加载和保存的

4KB就是个字节，即一个页框中有个字节，且访问内存的最小大小是1字节。因此一个页框中就有个地址，将剩下的12个比特位作为偏移量，从页框的起始地址处开始向后进行偏移，从而找到物理内存中某一个对应字节数据。

这实际上就是我们所谓的二级页表，其中页目录项是一级页表，页表项是二级页表。

每一个表项还是按10字节计算，页目录和页表的表项都是个，因此一个表的大小就是 * 10个字节，也就是10KB。而页目录有个表项也就意味着页表有个，也就是说一级页表有1张，二级页表有张，总共算下来大概就是10MB，内存消耗并不高，因此Linux中实际就是这样映射的。

上面所说的所有映射过程，都是由MMU（MemoryManagementUnit）这个硬件完成的，该硬件是集成在CPU内的。页表是一种软件映射，MMU是一种硬件映射，所以计算机进行虚拟地址到物理地址的转化采用的是软硬件结合的方式。

**注意：**在Linux中，32位平台下用的是二级页表，而64位平台下用的是多级页表。

线程的优点

创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
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更少（CPU中存在寄存器和L1 ~ L3级缓存，进程切换会导致寄存器和缓存中的数据失效且需要重新加载，但线程切换并不需要）
线程占用的资源要比进程少很多
能充分利用多处理器的可并行数量
在等待慢速IO操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
计算密集型应用，在多处理器系统上运行，可将计算分解到多个线程中实现从而提高执行效率
IO密集型应用，为了提高性能，可将IO操作重叠，使得线程可以同时等待不同的IO操作

概念说明：

计算密集型(CPU密集型)：执行流的大部分任务，主要以计算为主。如加密解密、大数据查找等
IO密集型：执行流的大部分任务，主要以IO为主。如刷盘、访问数据库、访问网络等

线程的缺点

性能损失： 一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与其他线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。
健壮性降低： 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不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说，线程之间是缺乏保护的。
缺乏访问控制： 进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。
编程难度提高： 编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多。

线程异常

单个线程如果出现除零、野指针等问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃。
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。

线程用途

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）。

Linux进程VS线程

进程和线程

进程是承担分配系统资源的基本实体，线程是调度的基本单位。

线程共享进程数据，但也拥有自己的一部分数据：

线程ID。
一组寄存器。（存储每个线程的上下文信息）
栈。（每个线程都有临时的数据，需要压栈出栈）
errno。（C语言提供的全局变量，每个线程都有自己的）
信号屏蔽字。
调度优先级。

进程的多个线程共享

因为是在同一个地址空间，因此所谓的代码段（Text Segment）、数据段（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：

文件描述符表。（进程打开一个文件后，其他线程也能够看到）
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。（cwd）
用户ID和组ID。

进程和线程的关系

进程和线程的关系如下图：

在此之前我们接触到的都是具有一个线程执行流的进程，即单线程进程。

Linux线程控制

POSIX线程库

pthread线程库是应用层的原生线程库：

应用层指的是这个线程库并不是系统接口直接提供的，而是由第三方帮我们提供的。
原生指的是大部分Linux系统都会默认带上该线程库。
与线程有关的函数构成了一个完整的系列，绝大多数函数的名字都是以"pthread_"打头的。
要使用这些函数库，要通过引入头文件<pthreaad.h>。
链接这些线程函数库时，要使用编译器命令的"-lpthread"选项。

错误检查：

传统的一些函数是，成功返回0，失败返回-1，并且对全局变量errno赋值以指示错误。
pthreads函数出错时不会设置全局变量errno（而大部分POSIX函数会这样做），而是将错误代码通过返回值返回。
pthreads同样也提供了线程内的errno变量，以支持其他使用errno的代码。对于pthreads函数的错误，建议通过返回值来判定，因为读取返回值要比读取线程内的errno变量的开销更小。

线程创建

创建线程的函数叫做pthread_create

pthread_create函数的函数原型如下：

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

参数：

thread：获取创建成功的线程标识符，该参数是一个输出型参数
attr：用于设置创建线程的属性，传入NULL表示使用默认属性
start_routine：该参数是一个函数地址，表示线程例程，即线程启动后要执行的函数
arg：传给线程例程的参数（即传给start_routine的形参）

返回值：

线程创建成功返回0，失败返回错误码

当一个程序启动时，就有一个进程被操作系统创建，与此同时一个线程也立刻运行，这个线程就叫做主线程。

主线程是产生其他子线程的线程。
通常主线程必须最后完成某些执行操作，比如各种关闭动作。

让主线程调用pthread_create函数创建一个新线程，此后新线程就会跑去执行自己的新例程，而主线程则继续执行后续代码。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	while (1){
		printf("I am %s\n", msg);
		sleep(1);
	}
}
int main()
{
	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid, NULL, Routine, (void*)"thread 1");
	while (1){
		printf("I am main thread!\n");
		sleep(2);
	}
	return 0;
}

使用 ps -aL 命令，可以显示当前的轻量级进程，不带 -L 选项默认显示进程

LWP（Light Weight Process）就是轻量级进程的ID，可以看到显示的两个轻量级进程的PID是相同的，因为它们属于同一个进程

在Linux中，应用层的线程与内核的LWP是对应的，实际上操作系统调度时使用的是LWP，而并非PID。单线程进程时PID和LWP是相等的，所以对于单线程进程而言，调度时采用PID和LWP是一样的；多线程进程时PID与主线程LWP相同。

为了进一步证明这两个线程是属于同一个进程的，我们可以让主线程和新线程在执行打印操作时，将自己的PID和PPID也进行打印。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	while (1){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d\n", msg, getpid(), getppid());
		sleep(1);
	}
}
int main()
{
	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid, NULL, Routine, (void*)"thread 1");
	while (1){
		printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
		sleep(2);
	}
	return 0;
}

可以看到主线程和新线程的PID和PPID是一样的，也就是说主线程和新线程虽然是两个执行流，但它们仍然属于同一个进程。

让主线程创建一批新线程

上面是让主线程创建一个新线程，下面我们让主线程一次性创建五个新线程，并让创建的每一个新线程都去执行Routine函数，也就是说Routine函数会被重复进入，即该函数是会被重入的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	while (1){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d\n", msg, getpid(), getppid());
		sleep(1);
	}
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
	}
	while (1){
		printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
		sleep(2);
	}
	return 0;
}

运行代码，可以看到这五个新线程是创建成功的。

因为主线程和五个新线程都属于同一个进程，所以它们的PID和PPID也都是一样的。

获取线程ID

常见获取线程ID的方式有两种：

创建线程时通过输出型参数获得。
通过调用pthread_self函数获得。

pthread_self函数的函数原型如下：

pthread_t pthread_self(void);

调用pthread_self函数即可获得当前线程的ID，类似于调用getpid函数获取当前进程的ID。

例如，下面代码中在每一个新线程被创建后，主线程都将通过输出型参数获取到的线程ID进行打印，此后主线程和新线程又通过调用pthread_self函数获取到自身的线程ID进行打印。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	while (1){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
	}
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	while (1){
		 printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
		 sleep(2);
	}
	return 0;
}

运行代码，可以看到这两种方式获取到的线程的ID是一样的。

注意：用pthread_self函数获得的线程ID与内核的LWP的值是不相等的，pthread_self函数获得的是用户级原生线程库的线程ID，而LWP是内核的轻量级进程ID，它们之间是一对一的关系。

线程等待

首先需要明确的是，一个线程被创建出来，这个线程就如同进程一般，也是需要被等待的。若主线程不对新线程进行等待，那么这个新线程的资源也是不会被回收的。所以线程需要被等待，如果不等待会产生类似于"僵尸进程"的问题，也就是内存泄漏。

使用pthread_join()可以进行线程等待

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

参数：

thread：被等待线程的标识符
retval：线程退出时的退出码信息

返回值：

线程等待成功返回0，失败返回错误码

调用该函数的线程将阻塞到ID为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的

若thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是线程的返回值
若thread线程被别的线程调用pthread_cancel()异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是宏PTHREAD_CANCELED，即(void*)-1)
若thread线程是自行调用pthread_exit()终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数
若对thread线程的终止状态不感兴趣，可传NULL给retval参数

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

void* Routine(void args)
{
cout << (char)args << endl;
sleep(3);
return (void*)0;
}
int main()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, nullptr, Routine, (void*)"new thread");
```
  void* ret = nullptr;
  int n = pthread_join(tid,&ret);
  if(n == 0) {
      cout << "等待成功" << endl;
      cout << "返回信息为: " <<(long long)ret << endl;
  }
  else {
      cout << "等待失败" << endl;
  }

  return 0;
```
}

线程终止

如果需要只终止某个线程而不是终止整个进程，可以有三种方法：

从线程函数return。
线程可以自己调用pthread_exit函数终止自己。
一个线程可以调用pthread_cancel函数终止同一进程中的另一个线程。

return退出

在线程中使用return代表当前线程退出，但是在main函数中使用return代表整个进程退出，也就是说只要主线程退出了那么整个进程就退出了，此时该进程曾经申请的资源就会被释放，而其他线程会因为没有了资源，自然而然的也退出了。

例如，在下面代码中，主线程创建五个新线程后立刻进行return，那么整个进程也就退出了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	while (1){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
	}
	return (void*)0;
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());

	return 0;
}

运行代码，并不能看到新线程执行的打印操作，因为主线程的退出导致整个进程退出了。

pthread_exit函数

pthread_exit函数的功能就是终止线程

void pthread_exit(void *retval);

参数说明：

retval：线程退出时的退出码信息。

说明一下：

该函数无返回值，跟进程一样，线程结束的时候无法返回它的调用者（自身）。
pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其他线程得到这个返回指针时，线程函数已经退出了。

例如，在下面代码中，我们使用pthread_exit函数终止线程，并将线程的退出码设置为6666。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	int count = 0;
	while (count < 5){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
		count++;
	}
	pthread_exit((void*)6666);
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		void* ret = NULL;
		pthread_join(tid[i], &ret);
		printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
	}
	return 0;
}

运行代码可以看到，当线程退出时其退出码就是我们设置的6666。

注意： exit函数的作用是终止进程，任何一个线程调用exit函数也代表的是整个进程终止。

pthread_cancel函数

线程是可以被取消的，我们可以使用pthread_cancel函数取消某一个线程

int pthread_cancel(pthread_t thread);

参数说明：

thread：被取消线程的ID。

返回值说明：

线程取消成功返回0，失败返回错误码。

线程是可以取消自己的，取消成功的线程的退出码一般是-1。例如在下面的代码中，我们让线程执行一次打印操作后将自己取消。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	char* msg = (char*)arg;
	int count = 0;
	while (count < 5){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
		count++;
		pthread_cancel(pthread_self());
	}
	pthread_exit((void*)6666);
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		void* ret = NULL;
		pthread_join(tid[i], &ret);
		printf("thread %d[%lu]...quit, exitcode: %d\n", i, tid[i], (int)ret);
	}
	return 0;
}

运行代码，可以看到每个线程执行一次打印操作后就退出了，其退出码不是我们设置的6666而是-1，因为我们是在线程执行pthread_exit函数前将线程取消的。

虽然线程可以自己取消自己，但一般不这样做，我们往往是用于一个线程取消另一个线程，比如主线程取消新线程。

分离线程

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，从而造成内存泄漏。
但如果我们不关心线程的返回值，join也是一种负担，此时我们可以将该线程进行分离，后续当线程退出时就会自动释放线程资源。
一个线程如果被分离了，这个线程依旧要使用该进程的资源，依旧在该进程内运行，甚至这个线程崩溃了一定会影响其他线程，只不过这个线程退出时不再需要主线程去join了，当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。
可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离。
joinable和分离是冲突的，一个线程不能既是joinable又是分离的。

分离线程的函数叫做pthread_detach

int pthread_detach(pthread_t thread);

参数说明：

thread：被分离线程的ID。

返回值说明：

线程分离成功返回0，失败返回错误码。

创建五个新线程后让这五个新线程将自己进行分离，那么此后主线程就不需要在对这五个新线程进行join了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

void* Routine(void* arg)
{
	pthread_detach(pthread_self());
	char* msg = (char*)arg;
	int count = 0;
	while (count < 5){
		printf("I am %s...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", msg, getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
		count++;
	}
	pthread_exit((void*)6666);
}
int main()
{
	pthread_t tid[5];
	for (int i = 0; i < 5; i++){
		char* buffer = (char*)malloc(64);
		sprintf(buffer, "thread %d", i);
		pthread_create(&tid[i], NULL, Routine, buffer);
		printf("%s tid is %lu\n", buffer, tid[i]);
	}
	while (1){
		printf("I am main thread...pid: %d, ppid: %d, tid: %lu\n", getpid(), getppid(), pthread_self());
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

这五个新线程在退出时，系统会自动回收对应线程的资源，不需要主线程进行join。

线程ID及进程地址空间布局

pthread_create函数会产生一个线程ID，存放在第一个参数指向的地址中，该线程ID和内核中的LWP不是一回事。
内核中的LWP属于进程调度的范畴，因为线程是轻量级进程，是操作系统调度器的最小单位，所以需要一个数值来唯一表示该线程。
pthread_create函数第一个参数指向一个虚拟内存单元，该内存单元的地址即为新创建线程的线程ID，这个ID属于NPTL线程库的范畴，线程库的后续操作就是根据该线程ID来操作线程的。
线程库NPTL提供的pthread_self函数，获取的线程ID和pthread_create函数第一个参数获取的线程ID是一样的

pthread_t到底是什么类型？

首先，Linux不提供真正的线程，只提供LWP，也就意味着操作系统只需要对内核执行流LWP进行管理，而供用户使用的线程接口等其他数据，应该由线程库自己来管理，因此管理线程时的"先描述，再组织"就应该在线程库里进行。

通过ldd命令可以看到，我们采用的线程库实际上是一个动态库。

进程运行时动态库被加载到内存，然后通过页表映射到进程地址空间中的共享区，此时该进程内的所有线程都是能看到这个动态库的。

之前提到每个线程都有独占的栈，其中主线程采用的栈是进程地址空间中原生的栈，而其余线程采用的栈就是在共享区中开辟的。除此之外，每个线程都有各自的struct pthread，当中包含了对应线程的各种属性；每个线程还有自己的线程局部存储，当中包含了对应线程被切换时的上下文数据。

每一个新线程在共享区都有一个struct pthread对其进行描述，因此要找到一个用户级线程只需要找到该线程内存块的起始地址，然后就可以获取到该线程的各种信息。

上面讲述的各种线程函数，本质上都是在库内部对线程属性进行的各种操作，即线程数据的管理本质是在共享区的进行的

至于pthread_t到底是什么类型取决于实现，但对于Linux目前实现的NPTL线程库来说，线程标识符本质就是进程地址空间共享区上的一个虚拟地址，同一个进程中所有的虚拟地址都是不同的，因此可以用它来唯一区分每一个线程。