【Linux系统：多线程】线程概念与控制

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文章目录

[1 ~> Linux 线程概念](#1 ~> Linux 线程概念)
- [1.1 线程的深度定义与内核实现](#1.1 线程的深度定义与内核实现)
- [1.2 内存管理的底层：分页式存储](#1.2 内存管理的底层：分页式存储)
- - [1.2.1 物理内存的页框管理](#1.2.1 物理内存的页框管理)
  - [1.2.2 虚拟地址到物理地址的 10-10-12 转换](#1.2.2 虚拟地址到物理地址的 10-10-12 转换)
  - [1.2.3 补充：MMU 的权限过滤机制](#1.2.3 补充：MMU 的权限过滤机制)
- [1.3 线程切换的硬件优势](#1.3 线程切换的硬件优势)
[2 ~> 进程与线程的资源边界](#2 ~> 进程与线程的资源边界)
- [2.1 线程私有资源（不可共享）](#2.1 线程私有资源（不可共享）)
- [2.2 线程共享资源](#2.2 线程共享资源)
[3 ~> 线程控制实战（Pthread 库）](#3 ~> 线程控制实战（Pthread 库）)
- [3.1 线程创建：pthread_create](#3.1 线程创建：pthread_create)
- [3.2 线程终止](#3.2 线程终止)
- - [3.2.1 线程终止的三种方式](#3.2.1 线程终止的三种方式)
  - [3.2.2 注意](#3.2.2 注意)
- [3.3 线程等待与资源回收](#3.3 线程等待与资源回收)
- [3.4 补充](#3.4 补充)
- - [3.4.1 补充：PTHREAD_CANCELED 的本质](#3.4.1 补充：PTHREAD_CANCELED 的本质)
  - [3.4.2 线程退出的内存陷阱](#3.4.2 线程退出的内存陷阱)
[4 ~> 线程 ID 的本质与内存布局（线程库与内核的映射关系）](#4 ~> 线程 ID 的本质与内存布局（线程库与内核的映射关系）)
- [4.1 库级别的线程标识 pthread_t](#4.1 库级别的线程标识 pthread_t)
- [4.2 LWP 与 pthread_t 的对应关系](#4.2 LWP 与 pthread_t 的对应关系)
- [4.3 LWP 与 pthread_t](#4.3 LWP 与 pthread_t)
- [4.4 线程局部存储（TLS）](#4.4 线程局部存储（TLS）)
[5 ~> 线程封装的工程实践](#5 ~> 线程封装的工程实践)
- [5.1 面向对象封装思路](#5.1 面向对象封装思路)
- [5.2 封装代码片段](#5.2 封装代码片段)
[6 ~> 核心补充：clone 系统调用](#6 ~> 核心补充：clone 系统调用)
- [对比：进程 vs 线程资源共享表](#对比：进程 vs 线程资源共享表)
- 补充：线程与进程对信号的处理差异
结尾

1 ~> Linux 线程概念

1.1 线程的深度定义与内核实现

(1) 在 Linux 内核中，线程被称为轻量级进程（LWP, Light Weight Process）。

(2) 传统的进程模型中，一个进程对应一个地址空间，对应一个 task_struct；但在 Linux 线程模型中，多个 task_struct 指向同一个 mm_struct（进程地址空间）。

(3) 线程是"一个进程内部的控制序列"，它在进程的虚拟地址空间内运行。

(4) CPU 在进行调度时，并不区分进程和线程，它只认 task_struct。因为线程的 task_struct 共享了大量的进程资源，所以其创建、切换、销毁的开销远小于传统意义上的进程。

(5) 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。

1.2 内存管理的底层：分页式存储

1.2.1 物理内存的页框管理

(1) 操作系统将物理内存划分为固定大小的块，称为页框（Page Frame），通常大小为 4KB。

(2) 内核使用 struct page 数组来管理所有物理页。这是一个联合体结构，用于减少内存占用。

(3) _mapcount 成员记录该物理页被多少个页表项映射，是内存回收的关键引用计数。

(4) flags 描述页的状态，如是否为脏页（Dirty）、是否被锁定（Locked）。

1.2.2 虚拟地址到物理地址的 10-10-12 转换

(1) 在 32 位环境下，虚拟地址被逻辑上划分为三部分，用于多级页表索引。

(2) 页目录索引（高 10 位）：从 CR3 寄存器获取页目录基地址，通过这 10 位找到对应的页目录项（PDE）。

(3) 页表索引（中间 10 位）：PDE 指向一个具体的页表，通过这 10 位找到页表项（PTE）。

(4) 页内偏移（低 12 位）：PTE 存储物理页框的起始地址，加上这 12 位偏移量（2^12 = 4KB），精确定位物理内存字节。

1.2.3 补充：MMU 的权限过滤机制

1.3 线程切换的硬件优势

(1) 进程切换开销大：需要切换页表、刷新 TLB、刷新处理器的 L1/L2/L3 Cache。

(2) 线程切换开销小：由于共享同一个页表，TLB 缓存的大部分转换映射依然有效。

(3) 缓存热度：线程切换时，CPU 的 Cache 中缓存的数据和指令依然具有高度的重合性，这使得线程在切换后能迅速进入高频执行状态，不会产生进程切换时的"性能塌陷"。

2 ~> 进程与线程的资源边界

2.1 线程私有资源（不可共享）

(1) 线程 ID：在进程内部唯一标识该执行流。

(2) 寄存器组：包含 PC 指针、栈指针及通用寄存器，保存线程当前的执行上下文。

(3) 独立栈空间：每个线程必须拥有独立的函数调用栈，以维护各自的局部变量和调用关系。

(4) errno：每个线程拥有独立的错误码副本，防止多线程环境下错误信息被覆盖。

(5) 信号屏蔽字：各线程可以对不同的信号进行屏蔽。

2.2 线程共享资源

(1) 代码段与数据段：所有线程共享全局变量、静态变量。

(2) 文件描述符表：一个线程打开文件，其他线程可以直接使用该 FD。

(3) 信号处理方式：若某一线程修改了 SIGINT 的 handler，整个进程的行为都会改变。

3 ~> 线程控制实战（Pthread 库）

3.1 线程创建：pthread_create

(1) 线程库是一个用户态库（NPTL），必须通过 -lpthread 进行手动链接。

(2) pthread_create 的第四个参数 void *arg 是万能指针，可以传递基本类型，也可以传递结构体/类对象地址。

cpp 复制代码

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

void* thread_routine(void* args) {
    char* msg = (char*)args;
    while (true) {
        std::cout << "Sub thread: " << msg << " PID: " << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, thread_routine, (void*)"Hello Thread");
    while (true) {
        std::cout << "Main thread running..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3.2 线程终止

3.2.1 线程终止的三种方式

（1）线程函数 return。

（2）调用 pthread_exit(void *value_ptr)，注意 value_ptr 不能指向栈上的局部变量。

（3）调用 pthread_cancel(pthread_t thread) 取消目标线程。

3.2.2 注意

在任何线程中调用 exit 都会导致整个进程退出。

3.3 线程等待与资源回收

(1) pthread_join：主线程必须调用此函数回收子线程资源，否则会产生类似"僵尸进程"的残留问题。

(2) 返回值获取 ：通过 void **retval 参数，可以获取线程函数 return 的结果或 pthread_exit 传出的数据。

(3) pthread_cancel ：用于取消正在运行的线程。被取消的线程其退出码固定为宏 PTHREAD_CANCELED（即 -1）。

3.4 补充

3.4.1 补充：PTHREAD_CANCELED 的本质

当一个线程是被 pthread_cancel 异常取消退出的，通过 pthread_join 获取到的退出码是一个宏定义 PTHREAD_CANCELED，在大多数系统中，其数值为 -1（即 (void*)-1）。

3.4.2 线程退出的内存陷阱

在使用 pthread_exit 或 return 返回数据给主线程时，严禁返回局部变量的地址 。由于子线程栈在退出后会被销毁或重用，主线程拿到的指针将指向野内存。建议使用全局变量、静态变量或 malloc 申请的堆空间。

4 ~> 线程 ID 的本质与内存布局（线程库与内核的映射关系）

4.1 库级别的线程标识 pthread_t

(1) 线程库通过 mmap 在进程地址空间的共享区为每个线程分配了一块内存，这块内存被称为线程控制块（TCB）。

(2) pthread_t 的数值本质上就是这块 TCB 在共享区内的起始地址。

(3) 子线程的栈也是在这块 mmap 出来的空间内。

4.2 LWP 与 pthread_t 的对应关系

(1) LWP 是内核标识，用于 OS 调度，全局唯一。

(2) pthread_t 是库标识，仅在进程内部有意义。

(3) 程序员在代码中使用 pthread_t 进行管理，而内核通过映射关系找到对应的 LWP 进行物理调度。

4.3 LWP 与 pthread_t

(1) LWP（Light Weight Process）：内核层面的线程 ID，由系统分配。在终端使用 ps -aL 可以查看。

(2) pthread_t：用户态线程库（NPTL）层面的 ID。

(3) 映射关系：NPTL 库在 mmap 区域（共享区）为每个线程开辟了一块空间。pthread_t 的值实际上就是这块内存空间的起始地址。

4.4 线程局部存储（TLS）

(1) 线程库在共享区中为每个线程维护了线程描述符（TCB）、局部变量和独立的栈。

(2) 在 C/C++ 代码中，使用 __thread 关键字修饰全局变量，可以使每个线程拥有一份该变量的私有副本，互不干扰。

5 ~> 线程封装的工程实践

5.1 面向对象封装思路

(1) 在 C++ 中封装线程类，可以将线程的逻辑与资源管理解耦。

(2) 必须处理 this 指针问题：pthread_create 需要一个 void* (*)(void*) 类型的静态函数，而类成员函数隐含了 this 指针作为第一个参数，因此需要将回调函数设为 static，并将类对象的 this 指针作为参数传入。

5.2 封装代码片段

cpp 复制代码

class Thread {
public:
    Thread(std::function<void()> func) : _func(func) {}
    
    static void* start_routine(void* args) {
        Thread* t = static_cast<Thread*>(args);
        t->_func(); // 执行任务
        return nullptr;
    }

    void run() {
        pthread_create(&_tid, nullptr, start_routine, this);
    }

    void join() {
        pthread_join(_tid, nullptr);
    }
private:
    pthread_t _tid;
    std::function<void()> _func;
};

6 ~> 核心补充：clone 系统调用

(1) Linux 下所有的线程创建最终都会调用内核的 clone 系统调用。

(2) 通过传入不同的 flags 掩码（如 CLONE_VM，CLONE_FILES，CLONE_FS），clone 可以灵活控制父子执行流之间资源的共享程度。

(3) 如果不传这些共享标志位，clone 的行为就退化成了 fork。

对比：进程 vs 线程资源共享表

补充：线程与进程对信号的处理差异

结尾

uu们，本文的内容到这里就全部结束了，艾莉丝在这里再次感谢您的阅读！

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往期回顾：

【Linux系统：多线程】Linux 内核与多线程深度强化干货25条

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