【Linux系统编程二十六】：线程控制与线程特性(Linux中线程库/线程创建/线程退出/线程等待)

一.Linux线程库pthread

在Linux中，是没有明确的线程概念的，因为在内核里线程是用进程的内核数据结构模拟实现的，只有轻量级进程的概念。所以在内核里它没有直接控制线程的接口，只有通过轻量级进程的系统调用：

简单介绍一下该系统调用，第一个参数就是一个函数指针，是该线程要执行的方法函数。第二个参数是一个栈指针，指向的是一块栈空间。至于为什么要栈，后面会讲到。

而我们用户只想要线程，不想要所谓的轻量级进程，所以就有人在应用层给我封装了一个线程库pthread。
它内部就是封装了调用轻量级进程系统调用接口，然后给我封装出一批创建线程，退出线程，等待线程的接口。
所以我们想使用Linux中的线程，需要使用第三方pthread库。

1.线程控制块

我们要理解的是，操作系统内部是没有线程的，只有轻量级进程，线程是在用户层创建出来的。是用户层维护线程的，所以叫做用户级线程。

因为库是共享的，你在库中可以创建线程，我也可以创建线程，所以线程库中会存在很多的线程，这些线程需不需要管理呢？当然需要！
所以线程库需要维护线程，要管理线程—先描述，再组织。
在线程库中其实是存在一个叫做线程控制块的结构体，它就是用来描述线程的各种属性比如线程的字段，线程的独立栈，线程的回调函数等。

创建一个线程，线程库就需要开辟一块空间，用来创建线程的TCB。
这是在用户层面，而线程库使用时，是需要加载到内存面的，在内核层面，没有所谓的TCB(线程控制块)，它只有一个执行流，也就是轻量级进程，对于操作系统来说，它管理的是执行流。每一个线程在内核里都有唯一的LWP。

2.线程tid

根据上面的理解，我们知道在用户层面，线程库会为线程创建线程控制块TCB。那么这么多线程，用户是如何区别这些线程的呢？每一个线程在用户层都会存在一个tid，用来区别不同线程的。根据动态库的学习，我们知道，在链接时需要将动态库加载到内存的共享区里。

而线程库链接时也需要加载到内存的共享区里。
线程库里存在很多描述线程的线程控制块TCB。线程库按照数组的方式将各个线程控制块管理起来。所有的线程都在动态库里被管理着。
而这些线程控制块在共享区里的起始地址就就是该线程的tid。
因为为了更好的找到每个TCB在共享库里的位置，每一个TCB在内存的起始地址就称为线程的tid

所以线程的tid本质就是共享区内存的一个虚拟地址。

线程获取自己的tid，系统调用接口：

3.线程栈

线程控制块里还存在一个线程栈，这是什么，又为什么呢？
因为每一个线程都是一个独立的执行流，各自在不同的地址空间执行代码，也就是执行不同的函数。而函数里难免会需要各种临时变量，或者调用其他函数，传递形参等，这些都需要栈空间存储。所以每一个线程创建时，都需要一块栈空间，用来维护各自函数里临时变量。
而主线程用的是地址空间里的栈空间。其他线程用的都是共享区里开辟的空间。在线程创建时，首先在上层线程库会为新线程创建一堆数据结构叫做线程控制块，里面维护着该线程的tid，该线程的栈空间等。上层将tcb创建好后，在内核层面就会形成对应的执行流，然后调用系统调用clone，将线程的栈空间，传递给child_stack。

二.线程控制

1.线程创建

main函数执行流我们称为是主线程，主线程创建的线程我们称为新线程。

1.pthread_create()是用来创建线程的。它会产生一个线程id,用来标识该线程的唯一性。线程的后续操作，都是根据该线程的id来操作线程。该id的本质就是共享区内存的虚拟地址。(就是线程控制块TCB在共享区内存的起始地址)
2.pthread_t是操作系统提供的数据类型，类似于int
3.第一个参数是用作输出型参数的，它是将创建的线程的tid给带出来。
4.第二个参数，是用来控制线程的属性，不用的情况下，置nullptr就可以。
5.第三个参数是一个函数指针，它是该线程要执行的方法函数。该函数的返回值和参数都是void类型。
6.第四个参数，是新线程执行的方法函数的参数。执行线程函数也可能需要参数，所以这个参数，就是主线程传给新线程的参数。主线程想让子线程知道什么，就可以通过该参数传递给子线程。该参数是一个void类型，不过注意不仅可以传普通类型过去还可以传对象过去。
7.
注意在编译的时候需要链接线程库。

创建的线程和主线程是如何区分的呢？

根据LWP来区别，或者根据它们的tid来区别。
任何一个线程被干掉，进程就会被干掉，因为线程就是进程内部的一个执行分支。

2.线程退出

线程执行的函数返回了，就代表线程退出。
线程退出有两种方式，一种是函数之间return返回退出。
一种是使用系统调用pthread_exit()来退出。
注意不能使用exit()接口，它是用来进程退出的：

注意线程退出，返回的是void*类型，如果没有什么可以退出的，就直接返回nullptr;
形参可以接收一个对象指针，那么最后函数返回时也可以返回一个对象。

3.线程等待

主线程创建新线程，也需要观看这个新线程，需要等待新线程。不然会出现类似于"僵尸进程"。导致资源泄露。并且有时主线程也需要获取创建的线程的一些处理结果。所以需要主线程最后退出。

1.pthread_join()是用来进程等待的。
2.第一个参数就是线程的tid，创建线程时，会将线程的tid给带出来。
3.第二个参数retval是一个输出型参数，是用来将线程执行函数结果给带出来，因为线程执行的函数的返回值是void类型，要想将该类型带出来，必须使用指针类型，也就是void *类型。
4.主线程在等待时，默认是阻塞等待，如果线程不退出，那么主线程就会一直等待。
5.线程退出时，主线程join等待不需要考虑异常情况，因为做不到，只有进程才可以做到。
6.一般来说，主线程退出，其他线程也会退出，但是如果使用pthread_exit(主线程tid),其他线程可能不会退出。

主线程还可以取消新线程(该线程已经被创建完毕)

线程如果被取消，那么它执行的函数返回值就会为-1。

三.线程的特性

因为在内核里没有线程的具体实现，线程是在用户层利用第三方库实现的，所以在内核中是如何区分线程和进程的呢？在内核中是没有线程和进程概念，它们都是轻量级进程，而每一个轻量级进程都有唯一标识它的LWP(Light Weight Process)。
而与之对应的用户层是真正实现了线程，所以叫做用户级线程，每一个线程都具有自己的tid。
所以这样对应起来，真正的线程是具有两部分构成的，一个是上层用户级线程，一个是下层内核级线程。用户级执行流：内核LWP=1：1

1.独立栈

每一个线程都是具有独立的栈结构的，当不同的线程调用同一个函数时，虽然是同一个函数，但是在不同的函数栈帧中。所以同一个变量，是在不同的栈帧中开辟的，地址也就不会相同。

但这个独立是相对独立，不是真的独立私有，其他线程想要访问你的栈也是可以访问到的，因为这些线程都是在同一个地址空间上运行，所以在线程中是没有秘密可言的，只不过线程之间最好不要越界访问。

2.局部存储

全局变量是每一个线程都可以访问的，就相当于一个共享资源。访问到的都是同一个。

那么有没有这样的变量，它是线程独有的，但又是全局的呢？也就是线程想要一个私有的全局变量呢？

线程的局部存储可以满足这样的条件。什么叫局部存储呢?

在线程控制块里，存储着一个叫线程局部存储的对象。它也是一块空间，是在共享区内存提前申请好的，当线程创建时，就已经存在。也就是每一个线程都会有一个局部存储，它可以用来定义全局变量，但这个全局变量又只有该线程能访问。
可以将线程自己不变的属性，且频繁调用的，放进去。然后再交给线程。

可能有人会疑惑，为什么要有局部存储，为什么不在线程函数内部直接设置一个临时变量不就好啦。
这样做的原因很简单，效率高，不需要频繁的创建变量，不需要传递参数也可以使用。

3.线程可分离

主线程创建新线程后，有两种情况，一种是等待新线程，一种是不等待线程。
等待线程，可能需要获取新线程的返回结果。
不等待线程，说明不关心新线程的返回结果。

但是你又说了，不等待线程会造成资源泄露。
有一种方法可以让主线程，不等待新线程，也不会造成资源泄露：线程分离

也就是主线程与新线程分离后，主线程不关心新线程的返回结果，新线程退出后会自动释放资源。

int pthread_detach(pthread_t thread);
//thread就是线程的tid

线程分离有两种方法：
①主线程强制分离
在主线程里，利用创建线程获取得到的tid，来分离新线程。
②新线程主动分离
在新线程执行的函数里，利用(pthread_self()获取自己的tid来分离。

【注意】
①一个线程被分离后，主线程就不能再等待它了。如果该线程分离后，主线程又等待它，这样会报错。
②分离线程，说明主线程是不关心该线程的返回结果，也就是不想等待该线程，但还是要保证主线程，最后退出。