Linux：深入理解线程的概念-猿码集

1. 线程的概念

线程是操作系统调度的基本单位，是程序执行流的最小单元。一个进程可以包括多个线程，每个线程独立执行任务。

线程的概念可以追溯到70年代的UNIX系统，而在Linux系统中，线程被实现为轻量级进程(Lightweight Process)，即LWP。

线程与进程的区别在于：进程是资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间和系统资源；而线程是CPU调度的基本单位，同一进程内的线程共享资源，包括地址空间和文件描述符等。

2. Linux下的线程模型

2.1 用户级线程模型

在用户级线程模型中，线程的创建、调度和销毁都由用户空间的线程库进行管理，内核并不感知线程的存在。线程切换只需要在用户空间完成，不涉及内核态和用户态之间的切换，因此切换速度较快。

然而，用户级线程模型存在以下问题：

1) 阻塞问题：当一个线程发生阻塞操作时（如IO操作），整个进程的所有线程都会被阻塞。

2) 多核利用问题：由于内核不感知线程，所有线程只能在一个CPU核心上执行，无法利用多核性能。

2.2 内核级线程模型

内核级线程模型由操作系统内核来负责线程的创建、调度和销毁。每个线程都是一个独立的任务，在内核中有对应的线程控制块（TCB）来管理线程。

与用户级线程模型相比，内核级线程模型具有以下优势：

1) 阻塞解决：当一个线程发生阻塞时，内核可以调度其他线程执行，提高了系统的并发性能。

2) 多核利用：内核能够将不同的线程分配到不同的CPU核心上执行，充分利用了多核处理器的性能。

3. Linux线程的创建和调度

3.1 线程创建

在Linux中，线程的创建使用pthread库提供的API函数，具体步骤如下：


#include <pthread.h>
void pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                    void *(*start_routine) (void *), void *arg);

以上代码是pthread_create函数的原型，它接受四个参数：

1) thread：指向线程标识符的指针，在创建线程成功后，会将线程的ID存放在这个变量中。

2) attr：线程的属性，可以通过这个参数设置线程的栈大小、优先级等。

3) start_routine：线程的入口函数，线程会从这个函数开始执行。

4) arg：传递给线程入口函数的参数。

3.2 线程调度

在Linux中，线程的调度由内核来负责。内核根据一定的调度策略和优先级对线程进行调度。

Linux系统提供了多种调度策略，包括先进先出调度（FIFO）、循环调度（Round Robin）、实时调度等。我们可以使用pthread库提供的API函数来指定线程的调度策略和优先级。


#include <pthread.h>
int pthread_setschedparam(pthread_t thread, int policy,
                          const struct sched_param *param);

以上代码是pthread_setschedparam函数的原型，它用于设置线程的调度策略和优先级。

thread参数指定要设置的线程，policy参数指定调度策略，param参数指定调度参数。

4. 线程同步与互斥

4.1 互斥锁

互斥锁（Mutex）是一种最常用的线程同步机制，用于保护临界区资源，防止多个线程同时访问产生竞争条件。

在Linux中，使用pthread库提供的API函数来操作互斥锁：


#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

以上代码是互斥锁操作函数的原型。

pthread_mutex_init函数用于初始化互斥锁，pthread_mutex_lock函数用于上锁，pthread_mutex_unlock函数用于解锁，pthread_mutex_destroy函数用于销毁互斥锁。

互斥锁支持线程之间的互斥和同步，保证临界区代码的原子性。

4.2 条件变量

条件变量（Condition Variable）用于线程间的等待和唤醒机制，可以在某个线程满足特定条件前一直阻塞等待。

在Linux中，使用pthread库提供的API函数来操作条件变量：


#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

以上代码是条件变量操作函数的原型。

pthread_cond_init函数用于初始化条件变量，pthread_cond_wait函数用于等待条件变量满足，pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待条件的线程，pthread_cond_broadcast函数用于广播唤醒所有等待条件的线程，pthread_cond_destroy函数用于销毁条件变量。

条件变量配合互斥锁使用，可以实现线程间的协作。

5. 总结

本文深入介绍了Linux下线程的概念，涵盖了线程模型、线程的创建和调度、线程同步与互斥等方面的内容。线程作为并发编程的基础，掌握线程的使用和原理对于编写高效的多线程程序非常重要。

对于Linux系统而言，线程提供了一种高效的并发性能，可以利用多核处理器的优势。通过合理地使用线程模型和线程同步机制，可以实现更加高效的并发编程。

Linux：深入理解线程的概念