深入Linux轻量级进程管理：线程创建、线程ID解析与进程地址空间页表探究

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🚲Linux线程控制

🐏POSIX线程库

在Linux中，没有线程的概念，只有轻量级进程的概念，所以Linux系统只提供了轻量级进程的系统调用，没有线程相关的系统调用，但是用户不知道轻量级进程的概念，只知道线程和进程，所以Linux将轻量级进程的系统调用进行封装，转成线程相关的接口语义提供给用户，就形成了pthread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_”开头的。
• 要使用这些函数库，要通过引入头文<pthread.h> 。
• 链接这些线程函数库时要使用编译器命令的“-lpthread”选项。

🐕创建线程

• 功能：创建一个新的线程

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

• 参数

  • thread:返回线程ID
  • attr:设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性
  • start_routine:是个函数地址，线程启动后要执行的函数
  • arg:传给线程启动函数的参数（可以是对象等等）
  • 返回值：成功返回0；失败返回错误码

• 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（而大部分其他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，以支持其它使用errno的代码。对于pthreads函数的错误，建议通过返回值判定，因为读取返回值要比读取线程内的errno变量的开销更小。

注意：新线程和主线程谁先运行？这是未知的。

示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>void *routine(void *name)
{std::cout << "i am new thread,name:" << (char *)name << std::endl;sleep(1);return nullptr;
}
int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, routine, (void *)("thread-1"));while (true){std::cout << "i am process,pid:" << getpid() << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

运行结果：

🐟指令查看轻量级进程

指令：ps -aL

根据上面的结果可知：他们的pid一样，所以属于同一个进程，而且可知：OS在进行调度的时候，用的是LWP进行调度的。（因为pid可能一样，不能唯一性标识）

🐒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。

• 前面讲的线程ID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，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提供了pthread_ self函数，可以获得线程自身的ID：

• pthread_t pthread_self(void);

pthread_t 到底是什么类型呢？

• 取决于实现。对于Linux目前实现的NPTL实现而言，pthread_t类型的线程ID，本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

• 线程的管理由库维护，即描述线程的结构体与管理线程的数据结构(类似于数组)就在库里面的，其中pthread_t tid即是描述tid线程结构体的起始地址。

• 线程的栈与局部存储是在库中维护的。虽然栈是线程独立的，但是其他线程也是可以访问的。

示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
std::string ToHex(pthread_t tid)   //将id转换为十六进制
{char buff[64];snprintf(buff, 64, "0x%lx", tid);return buff;
}void *routine(void *name)
{while (true){sleep(1);std::cout << "i am new thread,name:" << (char *)name << "  my tid is :" << ToHex(pthread_self()) << std::endl;}return nullptr;
}
int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, routine, (void *)("thread-1"));while (true){std::cout << "i am process,pid:" << getpid() << "  new thread id:" << ToHex(tid) << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

运行结果：

🦔__thread与线程的局部存储

• __thread 是 C 和 C++ 中用于声明线程局部存储的一个关键字（或属性，具体取决于编译器和平台）。它告诉编译器或链接器，被 __thread 修饰的变量是每个线程私有的，即每个线程都有该变量的一个独立实例，这些实例之间互不影响。如：__thread int tls_variable = 0; 一般对于全局变量使用。
  示例代码：

#include <pthread.h>  
#include <stdio.h>  // 声明一个线程局部变量  
__thread int tls_variable = 0;  void* thread_function(void* arg) 
{  tls_variable = (int)arg; // 每个线程都会修改它自己的 tls_variable 副本  printf("Thread %ld has tls_variable = %d\n", (long)pthread_self(), tls_variable);  return NULL;  
}  int main() {  pthread_t threads[2];  // 创建两个线程，每个线程将接收到一个不同的参数  pthread_create(&threads[0], NULL, thread_function, (void*)1);  pthread_create(&threads[1], NULL, thread_function, (void*)2);  // 等待两个线程完成  pthread_join(threads[0], NULL);  pthread_join(threads[1], NULL);  return 0;  
}

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