【操作系统内核】线程-编程知识

【操作系统内核】线程

为什么需要线程

比如我要做一个视频播放器，就需要实现三个功能：

① 从磁盘读取视频数据

② 对读取到的视频数据进行解码

③ 对解码的数据进行播放

如果串行执行（通过一个进程来执行）：

那么播放一会就需要等待数据从磁盘加载（读磁盘很慢，会使得这个进程阻塞，CPU空置），然后通过CPU解码，就会一卡一卡的

如果三个进程来执行，分别负责IO的读写、CPU解码以及播放

进程1读磁盘内容，然后传递给进程2解码，再传递给进程3播放，这样就产生了两个问题：

创建了三个进程，实现一个简单的功能却耗费过多的系统资源
进程间的内存空间不一致，数据时独立，进程之间传递数据，需要操作系统协调（频繁陷入内核）完成，效率低

线程解决进程开销大的问题

① 线程直接共享进程的所有资源 (比如 mm_struct)，所以线程就变轻了，创建线程比创建进程要快到 10 ~ 100 倍

② 线程之间共享相同的地址空间 (mm_struct)，这样利于线程之间数据高效的传输

③ 可以在一个进程中创建多个线程，实现程序的并发执行

什么是线程：进程中的一条执行流（函数调用链），用于执行不同路径的代码指令，每个进程一开始都有一个主线程

因此，进程可视为由两部分组成：资源平台（地址空间、磁盘、网络资源等）、线程

线程可访问的三类数据

线程共享mm_struct,所以其执行的代码指令是存放在进程地址空间的代码段中

线程栈

前文说了线程就是一条函数调用链，所以每个线程需要有自己私有的线程栈，存放在当前进程的堆中

而主线程（如main函数）的栈则使用进程的栈

线程栈从高地址向低地址生长

全局变量（读/写数据段）
线程私有变量

线程创建代码实例 pthread_create()：

线程私有数据设置：

创建一个私有数据key：pthread_key_create(“key”)
设置私有数据：线程 1：pthread_setspecific(“key”, 22)
获取私有数据：线程 1：pthread_getspecific(“key”)

pthread_create详细过程

由于一个进程会有多个线程栈，可以用两个链表来管理这些线程栈：

stack_used: 还未退出的线程的线程栈
stack_cache: 退出的线程的线程栈，缓存在堆中，下次其他线程启动时直接可以用

pthread创建线程是由内核态和用户态合作实现的，也就是先在用户态创建一个线程(pthread实例)，然后在切换到内核态再创建一个线程（task_struct实例）：

用户态（创建一个用户态的线程）：

调用pthread_create()
- 根据设置栈的大小，从stack_cache中找到相应大小的线程栈；如果没有，申请堆空间创建线程栈
- 创建pthread实例（包含了线程私有数据、栈大小、入口函数等），将之放在线程栈栈底位置
调用create_thread()
- clone()系统调用：将子线程要执行的函数代码起始指令位置、参数写入寄存器（很重要） => 到此为止都是主线程在执行

内核态（创建一个内核态的线程管理用户态的线程）：

将主线程的寄存器信息保存到主线程内核栈中
调用do_fork()(创建进程也是用的do_fork()，所以进程线程的创建都差不太多)
- 创建task_struct以及对应的内核栈
- 创建进程时，需要复制复制父进程的实例，但线程时资源共享的，不需要复制主线程的实例，直接将线程task_struct的实例指针指向进程的实例指针即可
维护线程的亲缘关系，主要是维护线程和所属进程的关系
- 进程的pid等于其tgid，其中tgid表示所属进程的id，据此操作系统可区分一个task是进程还是线程
- 另外group_leader表示task所属的进程组
将task_stuct加入链表队列

在内核的角度，线程和进程的区别并不大，只是进程需要多一份资源管理

Tip:

pthread创建用户线程需要内存创建用户态线程栈，内核创建内核线程需要内存分配（slab分配器）创建内核态线程栈，所以线程的数量不是无限的，会耗尽内存
不管是创建用户态的线程，还是内核态的线程，开销都很小，消耗性能的动作主要是系统调用，会发生CPU上下文切换

所以，为减少CPU的上下文切换，可以建立线程池，当线程执行完后，把线程还给线程池（在用户态阻塞），而非操作系统，后续再重用这个线程，同时，设置最大线程数量，防止内存不足

主线程的CPU上下文恢复

线程创建完成后，将从主线程的内核栈获取CPU上下文切换到用户态，对比进程创建完成后切换到内核态，此时：

用户态的栈就是父进程的栈，栈顶指针也指向父进程的栈，指令指针也是指向父进程的代码

那么切回到用户态将会进入主线程

但clone()这个系统调用不一样，它在进入内核态之前，就把要执行的函数代码起始地址（也就是入口函数的地址）写入寄存器，进入内核后，存入内核栈的自然是子线程的下一条指令,此时：

用户态的线程栈就是创建线程A的栈，栈顶指针也指向线程A的栈，指令指针也是指向线程A的代码

然后执行start_tread(),执行线程函数

那么问题又来了，子线程倒是能顺利执行，那主线程怎么办，主线程的CPU上下文都没了:

但其实在内核拿到子线程CPU上下文，准备返回用户态的那一刻，主线程和子线程进行了一次线程切换参考链接，主线程的CPU上下文信息写入了其内核栈，等下次调度主线程时，就可以顺利运行了

用户级线程和内核级线程

PCB与TCB：

操作系统每创建一个进程，都会在内核态创建一个进程管理器PCB: Process Control Block，存入进程表

操作系统每创建一个线程，都会创建一个线程管理器TCB: Thread Control Block（如果是创建用户级线程，则TCB必须存放在用户态），存入线程表

用户级线程

用户级线程：由一些应用程序中的线程库来实现，应用程序可以调用线程库的 API 来完成线程的创建、线程的结束等操作

用户级线程优点：

快，线程的创建、销毁、切换都非常快，不需要陷入内核态
可以自定义调度算法，比较灵活

缺点：

一个线程不让出CPU，其他的线程永远执行不到了，因此只有线程主动让出cpu，线程库才有切换线程的权力（如果有内核管理的话，会进行时钟中断）
如果一个线程被阻塞，那么这个线程所有的线程都会被阻塞。
- 比如我一个进程中的一个子线程A需要调用系统资源，则需要陷入内核找到对应的PCB去访问资源，这个过程中，子线程A被阻塞，其他线程也拿不到CPU的执行权，就整个进程都阻塞了
操作系统看不到线程，只能以进程的视角调用，很可能分配的执行时间太少