初识Linux · 线程概念

前言：

线程的背景

线程的概念和Linux中的线程实现

线程杂谈

前言：

Linux的学习从开始到现在，我们已经经历了许多大boss，从一开始的熟悉指令，到第一次在gcc环境下编译C语言的代码，到理解文件系统，比如理解了文件的权限，万物皆文件的概念，此时，是我们经历的第一次大boss，文件系统。

之后，我们从shell开始慢慢理解Linux的系统内核部分，最典型的是我们慢慢开始理解了什么是进程，从pcb->task_struct到mm_struct地址空间，到页表部分，最后我们从物理内存出发，一步一步的理解了程序的地址，之后，我们学习了进程的状态，学习了进程的控制，学习了进程等待，学习了进程终止，以及进程的各种信息，比如Pid，这是第二次大boss。

今天，我们学习的是Linux中的第3个大boss，线程。线程我们同样，从概念入手，再到线程的控制，线程同步，线程互斥等，和前两个一样，都是需要我们反反复复学习的知识点。

那么，话不多说，本文作为线程的概念篇，主要是解释线程中的概念，并且结合少许的代码。

进入第一个主题吧！线程的概念。

线程的背景

介绍线程概念我们打算从地址空间入手，在地址空间篇章，我们就提及到过，地址空间我们是要多次介绍的，一共要介绍4次左右，今天就是第四次。

我们知道，之前对于地址空间的理解就是：

这个图我们已经十分熟络了，通过页表和MMU可以将虚拟内存和物理内存建立某种联系。可是，今天我们对于页表要理解的更深层一点。

假设在磁盘中有一个hello.o，它是文件吧？那么既然他是文件，它就应该有自己的inode，它也应该存在于物理内存中。既然是和物理内存挂钩，在前文介绍的磁盘管理中，分为扇区等区域，并且是以4kb的大小进行管理。此时，真实的数据块加载到了物理内存里面，通过某种方式，和虚拟内存建立了联系。

那么，我们不妨来解析一下虚拟内存，我们将虚拟内存分为三部分：0000 0000 00，前10位是第一部分，00 0000 0000，中间10位，是第二部分，0000 0000 0000是第三部分。

好吧，在此之前我们其实还是应该再深度解析一下物理内存。

磁盘中的文件的数据是以4kb的方式存在的，我们将每个物理内存叫做页框，每个文件的数据块叫做页帧，其实现在操作系统的书已经没有区分的那么多了。

对于IO来说，IO的基本单位是4kb，OS要进行内存管理的话，不是以字节的方式管理的，而是以内存块的方式管理的，所以文件的数据块，物理内存的页框都是内存管理的对象。

那么OS应该如何管理页框页帧呢？

当然是先描述再组织。在Linux中有一种结构体是struct page，里面存的就是页框的信息。

在Linux的源码里应该如何管理呢？已经描述好了，那么使用一个数组就管理起来了。

现在我们在来刨析虚拟内存，前10个比特位，其实是指向的页目录，我们是拿32位机器举例，所以页目录实际上是由1024个，那么一个一个的页目录，指向了一个一个的页表，对于虚拟地址的中间10位，指向的就是页表，对于后12位的虚拟地址，就是先定位到了页目录之后，才好定位到页框的位置，这样，就能通过虚拟地址找到物理内存了。

那么，什么是函数呢？或者说，虚拟地址的本质是什么呢？

其实在mm_struct中，正文的代码本来就是由一个一个的地址构成的，对于函数来说，不过是一连串的地址而已。所以对于代码数据划分的本质，不过是一种对于资源的划分！

线程的概念和Linux中的线程实现

上面其实是对于页表的一种重新理解，可能有人觉得和今天的主题线程没有关系，实则不然，因为今天实际上会对之前进程的理解有一个颠覆性的理解。

在深入了解操作系统这本书里面说的好，进程是一种抽象。我们之前认为的进程是task_struct + mm_struct + 页表集合等。认为进程 = 内核数据结构 + 自己的代码和数据。

可是，在内核的观点里面，认为进程实际上是承担分配系统资源的基本实体。

今天就不讲故事了，我们直接说，以前认为task_struct就是进程，认为cpu调度的时候就是调度的task_strcut。

实际上不是的，一个进程可以存在多个task_struct，而对于task_struct就是Linux中的线程，为什么说是Linux中的线程呢？因为对于windows来说，windows也有自己的线程标准。

我们这样理解吧，对于国家来说，分配资源的实体是一个一个的家庭，家庭中的许多成员就是一个一个的线程。

那么windows对于线程是提供了真实线程控制块，对于Linux来说，是直接复用的内核代码，不然单独创建线程控制块，增加管理成本，源码还要多写很多很多行。

所以Linux中的线程实际上是集成在进程里面的。所以之前理解的进程实际上是只有一个线程的进程，我们之后要学习的就是一个进程含有多个线程。

那么对于cpu来说，是否要区分什么是线程，什么是进程呢？因为task_strcut理解存放的是进程的信息，但是实际上进程执行任务的时候使用的是线程。

cpu是不用区分的，因为cpu看到的执行流<=进程。我们将Linux中的线程成为轻量级进程。

那么既然有了多进程，为什么还要多线程呢？

因为cpu内部调度的时候，时间片一到，进程切换需要存上下文吧？地址空间，页表全部都要切换吧？那么这个成本是不是十分高了就？如果使用的是多线程，线程之间共享的是地址空间，页表，切换的时候成本就很低了。所以这是多线程的优势。

但是就和家庭一样，一个线程如果奔溃了，其他线程也都是会崩溃的。

线程杂谈

说了那么多，我们总的看看吧？

使用函数我们可以创建线程，其实第一个参数不解释了，第二个参数我们设置为nullptr即可，对于第三个参数就是函数指针，信号那里我们也见过，第四个参数是线程的名字。

我们直接来一份代码：

int gval = 100;void *threadStart(void *args)
{while (true){sleep(1);std::cout << "new thread running..." << ", pid: " << getpid() << std::endl;// std::cout << "new thread running..." << ", pid: " << getpid()//           << ", gval: " << gval << ", &gval: " << &gval << std::endl;}
}
int main()
{srand(time(nullptr));pthread_t tid1;pthread_create(&tid1, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new");// pthread_t tid2;// pthread_create(&tid2, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new");// pthread_t tid3;// pthread_create(&tid3, nullptr, threadStart, (void *)"thread-new");// 主线程while (true){std::cout << "main thread running..." << ", pid: " << getpid() << std::endl;// gval++;sleep(1);}return 0;
}

按照平常，我们直接g++是编译不过去的，因为它需要链接库，没想到到，重制版介绍为什么。

所以需要在Makefile文件里面加-lpthread

按照常理来说，两个死循环是不会同时打印的，可是一个进程使用两个线程调用不同的任务，就可以同时打印了：