# 线程
# 定义
线程（Thread）是进程运行、CPU 调度的基本单位。
- 每个进程至少包含一个线程，其中第一个创建的线程称为主线程（main thread）。
- 启动一个程序时，至少要创建一个进程，来执行程序指令。但进程只是一个空空的线程组，其中的线程才是实体，决定了 CPU 实际执行的程序指令。
进程与线程的主要区别：
- 功能差不多，但创建线程的开销更小。因此线程相当于轻量级进程。
- 同一进程中所有线程，会共享一些资源。
每个线程可以创建任意个新线程。
- 新线程属于当前线程的线程组，即属于同一个进程。
- 进程之间可以存在父子关系，而线程之间不存在父子关系。
- 同一进程中的所有线程，几乎相互平等。
- 但主线程比其它线程更重要，有时将其它线程称为主线程的子线程。
每个线程可以创建任意个新进程。不过此时看作是该线程所属的进程创建了新进程，考虑进程级别的概念，而不是线程级别。
# 占用资源
一个进程分配的系统资源，大部分会被该进程下的各个线程共享。包括：
- PID、PPID
- User ID 、Group ID
- 内存，包括：
- 虚拟内存空间，寻址相同
- 堆区，用于存储静态变量、全局变量等数据
- 打开的文件描述符，比如 Socket
- 环境变量，比如 PWD、HOSTNAME
- 进程间通信的 signals 和 signal handlers
每个线程有一些独立分配的系统资源。包括：
- TID
- CPU 调度，比如占用 CPU 时长、使用哪些寄存器
- 栈区，用于存储局部变量等数据
任一线程终止时，Linux 可以释放其线程级别的资源（比如栈区），但不能释放进程级别的资源（比如堆区），因为依然被其它线程使用。
- 当一个进程中所有线程都终止时，Linux 才认为该进程已终止，释放该进程占用的系统资源。
# LWP
上述的线程特点，是参考 POSIX 线程标准 (opens new window) ，简称为 pthread 。
- 但 Linux 系统不完全遵循 POSIX 标准。因为早期的类 Unix 系统中，不存在线程的概念，只有进程的概念。
- 直到目前，Linux 内核中的可调度实体依然是进程，又称为任务（task）。通常使用 LWP 来模拟线程。
轻量级进程（Light Weight Process ，LWP）
- 基本原理：在用户态创建一个看起来像线程的资源，与内核中的一个可调度实体关联，并且通常为 1 对 1 线程模型。
- LWP 本质上是 Linux 进程，不是真正的 POSIX 线程。
- Linux 创建进程、线程时，底层都是调用 clone() 来实现的。
- 例如调用
pthread_create()创建线程时，实际上会调用 clone() 创建一个子进程，并指定 CLONE_VM、CLONE_THREAD 等 flags ，使得子进程符合线程的特征。
- 每个线程使用一个独立的 task_struct ，而不共享当前进程的 task_struct 。
- 新建一个进程时，会在内存中新建一个 task_struct ，它既代表该进程，又代表主线程。
- 主线程新建一个子线程时，会新建一个 task_struct ，它本质上属于进程，但跟主线程共享一些资源，因此能当作线程使用。
- 主线程与子线程共享了很多资源，因此它们的 task_struct 大部分内容相同。比如 task->mm 指向同一个虚拟内存空间。
- 每个线程会分配一个唯一的 task->pid ，当作 TID 使用。
- 主线程的 task->pid ，既是该线程的 TID ，又是当前进程的 PID 。
- 如果一个 task->pid 等于 task->tgid ，则说明这是一个主线程。否则，这是一个子线程。
- 创建大量线程时，可能导致本机的 PID 可用数量不足。
- 缺点：
- 不完全遵循 POSIX 标准，用法有少许差异。
- 与 POSIX 线程相比，创建 LWP 线程更慢、占用资源更多。
假设某个 PID 的进程中包含多个不同 TID 的 LWP 线程，
- 如果用 kill 命令向该 PID 发送信号，则会被主线程接收。因为主线程的 TID 等于 PID 。
- 不过这是 LinuxThreads 的规则。而按照 POSIX 标准，向一个进程发送信号时，可能被其中任意一个线程接收。
- 如果用 kill 命令向非主线程的 ITD 发送信号，则会被该线程接收。
- 如果用 kill 命令向该 PID 发送信号，则会被主线程接收。因为主线程的 TID 等于 PID 。
# 底层实现
1996 年，Linux 的 glibc 引入了 LinuxThreads 线程库，用于创建符合部分 POSIX 标准的线程。
- 用法：调用 pthread.h 库的
pthread_create()函数，创建 LWP 进程，用它模拟线程。 - 缺点：
- 创建一个进程时，首先会创建一个管理器线程（manager thread），它负责管理其它线程，增加了开销。
- 同一进程中每个线程调用 getpid() 的返回值不同，会等于该线程的 PID ，而不是当前进程的 PID 。
- 用法：调用 pthread.h 库的
2005 年，Linux v2.6 的 glibc 引入了 NPTL（Native POSIX Thread Library）线程库，取代了 LinuxThreads ，用于创建更加符合 POSIX 标准的线程。
- 优点：
- 兼容 LinuxThreads 的 ABI 接口。因此可以将 pthread.h 库的底层实现改为 NPTL ，但用法不变，方便 Linux 旧版软件从 LinuxThreads 迁移到 NPTL 。
- 解决了 LinuxThreads 的主要缺点。例如引入了线程组的概念，使得每个线程调用 getpid() 时会返回 TGID ，即当前进程的 PID 。
- 缺点：
- 依然采用 LWP 机制，不完全遵循 POSIX 标准。例如线程之间不共享 nice 值。
- 优点：
# pthread.h
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *tid, // 传入用于存储线程 TID 的指针变量
const pthread_attr_t *attr, // 传入线程的属性（传入 NULL 则是默认属性）
void *(*)(void *), // 传入要运行的函数，该函数头的格式应该定义成：void *fun(void *arg)
void *arg); // 传入要运行的函数的实参，没有参数则填 NULL
// 用于创建一个线程，运行指定的函数
// 如果创建成功，则将线程的 TID 存储到变量 tid 中，并返回 0
int pthread_join(pthread_t tid, void **retval);
// 阻塞当前线程的执行，等待当前进程中指定 tid 的线程终止，然后才继续执行当前线程
// 当目标线程终止时，会将其退出码存储到变量 retval 中
void pthread_exit(void *retval);
// 使当前线程退出，且采用 retval 的值作为退出码
int pthread_cancel(pthread_t tid);
// 向当前进程中指定 tid 的线程，发送 cancel 请求
// 如果该函数的返回值为 0 ，则表示成功发送了 cancel 请求，但不知道目标线程会如何处理请求
// 每个线程收到 cancel 请求时，默认会立即终止。但也可以忽略 cancel 请求，或者自定义一个处理 cancel 请求的函数
int pthread_kill(pthread_t tid, int sig);
// 向当前进程中指定 tid 的线程，发送 sig 信号
// 如果该函数的返回值为 0 ，则表示成功发送了信号，但不知道目标线程会如何处理信号
- 编译时需要链接 pthread.h 库，例如：
gcc test.c -o test -l pthread - 例：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> void *fun1(){ puts("fun1() end."); return 0; } int main(){ int rc; pthread_t tid; rc = pthread_create(&tid, NULL, fun1, NULL); if(rc) puts("Failed to create the thread fun1()."); pthread_join(tid, NULL); // 阻塞主线程的运行。以免主线程执行完毕，提前终止子线程 puts("main() end."); return 0; }
# 多线程
# 优点
当一个程序需要让 CPU 执行多个任务时（比如执行多个函数），有几种策略：
- 单线程：只创建一个线程，让 CPU 串行执行这些任务。
- 多进程：创建多个进程，每个进程至少包含一个线程，并行执行。
- 多线程：创建一个进程，包含多个线程，并行执行。
多进程（multiprocess）的优点：
- 每个进程使用的虚拟内存空间、物理内存等资源相互独立，不会相互影响。
- 每个进程独立运行。一个进程挂掉了，通常不会影响其它进程。
多线程（multithreading）的优点：
- 与单线程相比，可以提高 CPU 的使用率。
- 例如一个线程因为等待 IO 而暂停运行时，其它线程依然可以运行。
- 例如一个线程占用了 CPU 的一个核心时，其它线程可以在 CPU 的其它核心上运行。
- 处理 IO 密集型任务时，多线程、多进程都可以提高 CPU 的使用率，从而提高处理速度。
- 处理 CPU 密集型任务时，多线程、多进程都不能提高处理速度。
- 多线程相当于轻量级的多进程，开销更小。
- 创建一个线程的耗时、资源开销，比进程小很多。
- CPU 进程上下文切换的开销，大于 CPU 线程上下文切换。例如 CPU 原本执行进程 A （中的线程），想切换执行进程 B （中的线程），则需要切换进程使用的内存、堆栈等资源。
- 与进程间通信相比，线程间通信更容易。
- 同一个进程的多个线程之间，可以采用全局变量作为通信媒介，因为它们访问的是同一个堆区。
- 与单线程相比，可以提高 CPU 的使用率。
# 线程间通信
- 线程间通信的频率：
- 轮询（poll）
- ：线程 A 执行一个循环语句，反复获取线程 B 的数据，比如读取某个全局变量。
- 优点：只要提高循环的频率，就可以实时获取线程 B 的数据。
- 缺点：频繁轮询，会增加线程 A 的开销。比如占用更多 CPU 时长、不能长时间执行其它任务。
- 回调（callback）
- ：线程 A 将自己某个函数的地址传给线程 B ，让线程 B 在必要时刻调用该函数，从而触发线程 A 的相关逻辑代码。
- 该函数称为回调函数。
- 优点：线程 A 是被动获取数据，不用频繁主动轮询，开销低。
- 缺点：线程 B 不一定会及时调用该函数，导致线程 A 不能及时获取数据。
- 轮询（poll）
# 线程安全
- 多进程、多线程可以并行工作，但可能出现以下问题：
- 一个线程在访问当前进程的共享资源时，该资源被其它线程修改。
- 对策：可以给该资源上锁，保证同时只能被一个线程访问。
- 一个线程在 CPU 执行任务时，被其它线程打断、抢占 CPU 。
- 对策：可以阻塞其它线程，先让该线程执行完任务。
- 一个线程在访问当前进程的共享资源时，该资源被其它线程修改。
# 线程终止
终止线程的几种方式：
- 如果一个线程调用 pthread_exit() ，则会使当前线程退出，不影响其它线程。
- 如果一个线程的主函数执行到 return 语句，则考虑该线程的身份：
- 如果该线程是普通线程，则会隐式调用 pthread_exit() ，使当前线程退出。
- 如果该线程是主线程，则会隐式调用 exit() ，使整个进程退出。
- 因此，创建多线程时，通常要用 pthread_join()、死循环等方式让主线程保持运行，避免子线程还没执行完毕就被终止。
- 如果任一线程调用 exit() ，则会使整个进程退出。
- 此时 Linux 会直接终止当前进程的所有线程，不会发送 SIGTERM 等信号。
- 一个线程调用 pthread_cancel() ，向其它线程发送 cancel 请求。
- 一个线程调用 pthread_kill() ，向其它线程发送终止信号。
终止线程时，哪个方式更好？
- 不应该采用 pthread_cancel() 或 pthread_kill() ，因为线程收到这种信号时，默认会立即退出，导致程序代码还没执行完毕，例如尚未将内存中的数据持久化到磁盘。
- 推荐方案：通过线程间通信，通知该线程，请它自行终止。它收到通知之后，应该做好收尾工作（例如持久化内存中的数据），然后执行 pthread_exit() 或 return 语句。
- 同理，终止一个进程时，通常是用 kill() 发送 SIGTERM 信号，因为大部分进程都会捕捉该信号，触发正常终止的逻辑代码。
- 如果用 kill() 发送 SIGKILL 信号，则会立即杀死进程，容易导致进程异常终止。
终止线程之后，何时释放它占用的资源？有两种策略：
- joinable
- ：默认策略。当线程终止时，不立即释放它占用的资源，而是等其它线程调用 pthread_join() 来获取该线程的退出码时，才释放资源。
- detached
- ：当线程终止时，立即释放它占用的资源。
- 优点：避免出现僵尸线程。
- 缺点：其它线程不知道该线程的退出时刻、退出码。
- joinable