Linux学习笔记14 - 多线程编程(一)

概述

• 在前[Linux学习笔记9 - 进程控制开发]一文章节中，已经对进程的概念做了一定的解释。

  • 进程是系统程序执行和资源分配的基本单位。每个进程都拥有自己的数据段、代码段和堆栈段，彼此相互独立，执行过程互不干扰，但这就造成了进程在进行切换等操作时都有比较复杂的上下文切换(Context switch)等动作。
  • 线程是为了减少CPU的空转时间，支持多CPU以及减少上下文切换(Context switch)开销而演化出的。
  • 线程可以对进程的内存空间和资源进行访问，并与同一进程中的其他线程共享。因此，线程的上下文切换的开销比创建进程小很多；由于线程共享了进程的资源和地址空间，因此任何线程对系统资源的操作都会给其他线程带来影响，所以多线程中的同步是非常重要的问题。
  • 一个进程可以有多个线程，也就是有多个线程控制表及堆栈寄存器，但却共享一个用户地址空间。

• 进程与线程的关系图示

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线程分类与特性

• 1.用户级线程(User Thread)
  • 其主要解决的是上下文切换(Context switch)的问题，它的调度算法和调度过程全部由用户自行选择决定，在运行时不需要特定的内核支持。
  • 系统往往会提供一个用户空间的线程库，该线程库提供了线程的创建、调度和撤销等功能，而内核仍然仅对进程进行管理。如果一个进程中的某一个线程调用了一个阻塞的系统调用函数，那么该进程包括该进程中的其他所有线程也同时被阻塞。这种用户级线程的主要缺点是在一个进程中的多个线程的调度中无法发挥多处理器的优势。
• 2.轻量级进程(Lightweght Thread)
  • 其是内核支持的用户线程，是内核线程的一种抽象对象。每个线程拥有一个或多个轻量级线程，而每个轻量级线程分别被绑定在一个内核线程上。
• 3.内核线程(Kernel Thread)
  • 此类线程允许不同进程中的线程按照同一相对优先调度方法进行调度，这样就可以发挥多处理器的并发优势。
  • 一个用户级线程(User Thread)可以对应一个或几个核心级线程(Kernel Thread)，也就是“一对一”或“多对一”模型。这样既可满足多处理机系统的需要，也可以最大限度地减少调度开销,现在大多数系统都采用用户级线程与核心级线程并存的方法。
• 特性:使用线程机制大大加快上下文切换速度而且节省很多资源。但是因为在用户态和内核态均要实现调度管理，所以会增加实现的复杂度和引起优先级翻转的可能性。

线程编程(以下专指用户态下)

• 在 Linux 中，一般 pthread 线程库是一套通用的线程库，是由 POSIX 提出的，因此具有很好的可移植性。

  • 线程创建

    • 实际就是确定调用该线程函数的入口点，这里通常使用的函数是 pthread_create()。在创建以后，就开始运行相关的线程函数，在该函数运行完之后，该线程也就退出了，这也是其退出一种方法。另一种退出线程的方法是使用函数 pthread_exit()，这是线程的主动行为。

  • 线程终止

    • 调用pthread_exit()函数主动终止自身线程;
    • 调用pthread_cancel()函数实现在别的线程中终止另一个线程的执行。

  • 线程资源释放问题

    • 由于一个进程中的多个线程是共享数据段的，因此通常在线程退出之后，其所占用的资源并不会随着线程的终止而得到释放。正如进程之间可以用 wait()系统调用来同步终止并释放资源一样，线程之间也有类似机制，那就是pthread_join()函数,其可以用于将当前线程挂起来等待线程的结束。此函数是一个线程阻塞函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源就被收回。

  • Attention:

    • 不能随意使用exit()退出函数进行出错处理，由于其作用是使调用进程终止，往往一个进程包含多个线程，因此在使用该函数之后，该进程中的所有线程都终止了。因此，在线程中就可以使用pthread_exit()来代替进程中的exit()。

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参考文献:《Linux嵌入式应用程序开发标准教程》