多线程(如何理解pthread库)-编程知识

上一节，我们主要介绍了pthread库中一些常见函数的用法，这节我们主要分析一下pthread库到底是什么？

什么是库

我们之前提过，在每一个linux平台下，必定会存在对应的pthread库
它存在于/lib64这个路径底下
在这里插入图片描述
换句话说，库的本质其实就是文件
既然是文件，按照我们之前动态库的知识，我们知道，它需要从磁盘，加载到内存之中，再根据页表，映射到对应的共享区
由于我们不同的执行流，共享的是同一个虚拟地址，因此，同一进程的不同线程都可以随时访问库中的代码和数据
在库中的代码，就有包含诸如线程管理的操作，通过这种方式，我们就可以实现对应的线程切换的操作
具体如何切换呢？
先描述再组织
先描述一个线程，再将不同描述好的线程组织起来，才考虑切换的问题

LWP和TCB

和文件系统类似，在内核级别，我们存在一个file的结构体，并通过数组的方式(文件描述符)，对这些结构体进行管理
但是我们进行的操作，都是对struct FIL(C语言)，或者fstream对象(C++)进行操作
这是因为操作系统并不信任用户，假如放开权限，让用户自己进行管理，一是所耗费的成本实在是太大了，学习系统级别的操作并不容易；二是极度不安全，用户随随便便不合适的操作就可能导致操作系统的崩溃
因此，我们所学习的操作，都是建立在这之上的，语言级别的操作函数，它的底层会调用相应的诸如open等等系统接口函数
无独有偶
我们之前提到过，在linux系统下，并没有真线程的概念
只有赋用进程结构的轻量级进程LWP
LWP就类似于我们内核中的struct file结构体，我们用户是不能直接操作的
真正的系统调用接口函数是诸如clone这样的函数
在这里插入图片描述

linux开发者在这之上，开发了pthread库，通过调用pthread库里面的函数(桥梁)，在用户层，我们就可以进行线程的管理；而在操作系统眼里，我们就会调用相应的clone系统调用接口，对轻量级线程LWP进行操作
那在语言层面上进行类比，也应该有类似struct FILE结构体一样的存在
答案是也存在的！
在虚拟内存中(语言层面)，我们在共享区会存在对应的struct pthread结构体，我们把它称之为TCB(用户级线程)
在这里插入图片描述

至此，我们就初步实现了描述一个线程
在TCB中，存有对应线程的属性，其中就包括我们先前提到的joinable属性，还有每个线程都存在的自己的独立栈空间等等

线程ID

那如何管理不同的线程呢？
文件系统采用的是文件描述符，以数组的方式进行管理，对应的下标就是文件描述符
线程采取的也是类似的方法
不同的线程经过描述后，其实是挨在一起的，就像一个"数组"一样.
因此我们要找到一个用户级线程，实际上，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
而所谓的线程ID，就是一个地址数据！！！
它用来标识线程相关属性集合(TCB)的起始地址
更进一步来说，就是偏移地址，通过线程ID,我们就能访问不同的线程TCB！
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独立栈与线程局部存储

在这之前，我们已经验证过，不同的线程，拥有自己的独立栈
假如每个线程都创建一个cnt变量，并在每次循环的时候，进行对应的减减操作，此时虽然变量名是相同的，但是它们并不是同一个变量

    1 #include <iostream>2 #include <pthread.h>3 #include <unistd.h>4 #include <cstring>5 #include <string>6 using namespace std;7 8 int g_val =100;9 string toHex(pthread_t tid)10 {11   char buffer[64];12   snprintf(buffer,64,"0x%x",tid);13   return buffer;14 }15 void* pthreadRun(void* args)16 {17   string name = static_cast<const char*>(args);18   int cnt = 5;19   while(cnt)20   {21     cout << name << " : " << cnt-- << ",cnt: " << cnt << endl;                                                                                                    22     //cout << name << " g_val: " << g_val++ << ", &g_val: " << &g_val << endl;23     sleep(1);24   }25   return nullptr;26 }27 int main()28 {29   pthread_t t1,t2,t3;30   pthread_create(&t1,nullptr,pthreadRun,(void*)"thread 1");31   pthread_create(&t2,nullptr,pthreadRun,(void*)"thread 2");32   pthread_create(&t3,nullptr,pthreadRun,(void*)"thread 3");33 34   pthread_join(t1,nullptr);35   pthread_join(t2,nullptr);36   pthread_join(t3,nullptr);37   return 0;38 }

从输出的结果也可以验证这一点，每个不同的cnt都会进行减1操作
若是相同的cnt，三个线程同时进行减1操作，则很快就会减为0
在这里插入图片描述
而cnt在函数内部，是一个临时变量
也侧面印证了我们所有线程都有自己独立的栈结构的观点
那我们原来说的虚拟地址空间中的栈又是什么呢？
之前我们的说法针对的都是拥有一个执行流的进程
现在也是一样，只不过是多个执行流
因此，我们之前所说的，虚拟地址空间中的栈，是进程系统栈，是主线程用的；而新线程用的是库中的栈
其中，下面的这些数据，都是每个线程自己独立拥有的

线程ID
一组寄存器
栈
errno
信号屏蔽字
调度优先级

更深层次讲，为什么每个线程能够自由的切换不同的栈呢？

原因就在于每个线程都有自己独立的一组寄存器，进入函数，实际就是创建对应的函数栈帧，只要更改ebp,esp，我们就能切换线程的栈

C++线程库

这里并不是讲解C++线程库是如何使用的
而是指出，在使用C++线程库的时候，也需要包含pthread.h头文件
假如不包相应的头文件，则g++编译的时候，就会发生报错
原因就在于C++thread库的实现，其实就是对我们上述讲的对原生线程库的封装，使用户实现多线程更为便捷
而在使用的时候，我们也是多学习有关语言层次的线程库使用，而比较少用原生线程库
原因就在于，语言是可以跨平台实现的，在封装的时候，就已经充分考虑过平台问题，一段相同的代码，既可以在linux上跑，也可以在windows上跑；但是原生线程库，只适用于Linux系统