linux|多線程（一）

主要介紹了為什么要有線程和線程的調用和簡單的對線程進行封裝。

背景知識

a.重談地址空間

我們知道物理內存的最小單元大小是4kB
物理內存是4G那么這樣的單元友1M個
操作系統先描述再組織struct page[1M]
對于32位數據字長的機器，頁表有2^32條也就是4G條，每一條光保存兩個地址加一個標記位這個頁表就得有36G這樣大
實際上比如 0010 0010 0010 0010 0010 0010 0010 0010
在這里插入圖片描述
虛擬地址>> 12 得到頁框號
虛擬地址&&oxfff 得到頁內偏移量

線程的概念

線程：在進程內部運行，是cpu調度的基本單位
進程：承擔系統資源的基本實體
在這里插入圖片描述
進程：承擔系統資源的基本實體 怎么理解這句話呢？可以把進程看作家庭，國家的最小單位國是千萬家~~家是社會資源分配的最小單位，把線程看作個人，線程是進程的一部分

os要單獨設計線程 --新建？暫停？銷毀？調度？線程要不要和進程產生關聯

在windows 有專門管理線程的數據結構

struct tcb
{
// 線程id
// 線程 優先級
// 狀態上下文
// 鏈接屬性
};

在這里插入圖片描述
但是linux 中沒有專門的線程，Linux 是用進程模擬的線程
linux中的執行流，我們稱為輕量級進程
線程：在進程內部運行，是cpu調度的基本單位
在cpu看來被調用的都是輕量級進程

澄清進程和線程

進程是只有一個執行流的線程~

見一見線程

在這里插入圖片描述
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);

pthread_t *thread：一個指向pthread類型的指針， pthread 這個類型用于保存的線程的標識符
const pthread_attr_t *attr：線程屬性對象的引用，可以用來設置線程的優先級、調度策略等。如果不需要設置特殊屬性，可以傳入 NULL 使用默認屬性。
start_routine: 指向線程開始執行的函數的指針這個函數的類型應為 void ()(void*)，意味著它接受一個 void * 類型的參數，并返回 void * 類型的結果。
arg: 傳遞給 start_routine 函數的參數，類型為 void *。這使得你可以在創建線程時向線程函數傳遞數據。

#include <iostream>
#include <unistd.h>void *threadStart(void * args)
{while(true){std::cout<<"new thraed running..."<<",pid:"<<getpid()<<std::endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t tid;// 新線程pthread_create(&tid, nullptr, threadStart,(void *) "thread-new"); // 相當于把頁表分成了兩部分// 主線程while(true){sleep(1);std::cout<<"main thraed running..."<<",pid:"<<getpid()<<std::endl;}return 0;
}

有了多進程為什么還要有多線程

線程不用再創建頁表等，只需要一個pcb 創建的成本低
運行期間線程，的調度成本低，因為不需要切換頁表
刪除線程，比刪除一個進程的成本低，只需要刪除一個pcb就行了

線程的調度成本為什么更低呢？

我們切換頁表只需要修改對應寄存器中的值就可以了，這個不是主要原因
最主要的原因是
在這里插入圖片描述
數據會被緩存在cache中，一切換進程，cache中的數據就作廢了，就需要重新cache了

為什么還要有進程呢？

線程的健壯性比較低，一個線程出錯整個程序都退出了

哪些東西在多線程中是共享的

因為同一地址空間，所以代碼段，數據段都是共享的，文件描述符表，每種信號的處理方式，工作目錄。

哪些東西是各自都有一份的呢？

線程id，錯誤碼，調度優先級，調度的上下文，信號屏蔽字
**最重要的：**一組寄存器，保存硬件上下文數據線程是在調度運行的
棧：線程的棧主要用于存儲函數調用的局部變量、函數參數以及返回地址。每當線程調用一個新的函數時，相關的局部變量和函數參數就會被壓入該線程的棧中，形成一個新的棧幀。當函數返回時，相應的棧幀就會被彈出，恢復之前的調用環境。由于每個線程有獨立的棧，它們可以并發地進行函數調用，而不會相互干擾。

幾個基本的問題

問題1：主線程和新線程誰先運行？

系統會將這個新線程加入到就緒隊列中等待調度。調度器會根據其自身的算法（比如時間片輪轉、優先級等）來決定哪個線程獲得 CPU 時間片并開始執行。

問題2：我們期望誰最后退出？ main thread,你如何保證呢？

我們希望主線程后退出，如果主線程先退出，主線程退出了整個進程就結束了，可能此時新線程還沒有完成任務呢。
我們用pthread_join 來保證主線程后退出

void * RunThread(void * args)
{std:: string name;name = (const char *)args;std::cout <<name << std::endl;return args;
}
int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, RunThread,(void *)"thread - 1");int n = pthread_join(tid,nullptr);if(n == 0){std::cout<<"wait success"<<std::endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述

問題3: tid 是什么樣子的？是什么呢？虛擬地址！為什么?

void  PrintToHEX(pthread_t tid)
{char message[1024];snprintf(message,sizeof(message),"0x%lx",tid);std::cout<<message<<std::endl;
}

我們打出來發現是一個地址
在這里插入圖片描述
為什么是一個地址呢？我們等下再說

問題4：全面看待線程函數傳參: 我們可以傳遞任意類型，但你一定要能想得起來，也可以傳遞類對象的地址！！！

class ThreadData
{
public:int x;int y;
};
void * RunThread(void * args)
{std:: string name;ThreadData * data = (ThreadData *)args;std::cout <<"x:"<<data->x <<" y:"<<data->y<< std::endl;return args;
}
void  PrintToHEX(pthread_t tid)
{char message[1024];snprintf(message,sizeof(message),"0x%lx",tid);std::cout<<message<<std::endl;
}
int main()
{pthread_t tid1;ThreadData x1;x1.x = 10;x1.y =20;pthread_create(&tid1, nullptr, RunThread,(void *)&x1);// PrintToHEX(tid);int n = pthread_join(tid1,nullptr);if(n == 0){std::cout<<"wait success"<<std::endl;}return 0;
}

問題6：注意剛剛我們x1的寫法其實是不標準的為什么？

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
class ThreadData
{
public:int x;int y;
};
void * RunThread1(void * args)
{std:: string name;ThreadData * data = (ThreadData *)args;data->x = 5;data -> y = 10;std::cout <<"x:"<<data->x <<" y:"<<data->y<< std::endl;return args;
}
void * RunThread(void * args)
{std:: string name;ThreadData * data = (ThreadData *)args;std::cout <<"x:"<<data->x <<" y:"<<data->y<< std::endl;return args;
}
void  PrintToHEX(pthread_t tid)
{char message[1024];snprintf(message,sizeof(message),"0x%lx",tid);std::cout<<message<<std::endl;
}
int main()
{pthread_t tid1;ThreadData x1;x1.x = 10;x1.y =20;pthread_create(&tid1, nullptr, RunThread,(void *)&x1);pthread_t tid2;pthread_create(&tid2, nullptr, RunThread1,(void *)&x1);int n = pthread_join(tid1,nullptr);if(n == 0){std::cout<<"wait success"<<std::endl;}return 0;
}

比如說這樣，我們原本想要打印 10 ，20 5，10 的結果卻這樣。
在這里插入圖片描述
因為main 棧上的變量這兩個線程都可以看到并修改，且這個變量只有一份，當第一個線程正準備打印的時候，第二個線程修改了這兩個變量的值。導致第一個線程打印出來就和第二個線程一樣了。 根本原因就是變量只有一份，我們多創建一份就好了。

而且我們不推薦直接將main棧上的變量給新線程因為 main函數棧的變量生命周期是隨main函數的，可能新線程早都結束了，但是main棧上的變量就是不結束
我們用new 可以在新線程中方便管理傳過來的變量的生命周期。

問題5: 全面看待線程函數返回

它也可以傳遞自定義類型哦

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
class ThreadData
{
public:int x;int y;int Excute(){return x + y; }
};
class ThreadResult
{
public:int x;int y;int ans;void print(){std::cout<<std::to_string(x)+"+"+std::to_string(y)+"="+std::to_string(ans)<<std::endl;}
};void * RunThread(void * args)
{std:: string name;ThreadData * data = (ThreadData *)args;//std::cout <<"x:"<<data->x <<" y:"<<data->y<< std::endl;ThreadResult * result = new ThreadResult();result->ans = data->Excute();result->x = data->x;result->y = data->y;return (void*)result;
}
void  PrintToHEX(pthread_t tid)
{char message[1024];snprintf(message,sizeof(message),"0x%lx",tid);std::cout<<message<<std::endl;
}
int main()
{pthread_t tid1;ThreadData * x1 = new ThreadData();x1->x = 10;x1->y = 20;pthread_create(&tid1, nullptr, RunThread,(void *)x1);ThreadResult * result =nullptr;int n = pthread_join(tid1,(void**)&result);result->print();if(n == 0){std::cout<<"wait success"<<std::endl;}return 0;
}

問題6: 如何創建多線程呢？

我們通過循環的方式創建多線程哦~~

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <unistd.h>
void * RunThread(void * args)
{std::string name = (const char *) args;std::cout<<name<<std::endl;return args;
}
int main()
{for(int i = 0; i < 10; i++){pthread_t tid;char name[1024];snprintf(name,sizeof(name),"this is %d new thread",i+1);pthread_create(&tid, nullptr , RunThread,name);}sleep(100);return 0;
}

在這里插入圖片描述
我們發現結果并不符合預期。因為name 只有一份，主線程運行的時候不停在覆蓋 name。
我們用 new ，循環 new 十次主線程分配的時候每一個線程都得到一個地址，那個地址指向一個獨立的堆空間，線程之間就不互相影響了。
在這里插入圖片描述
ok 完美解決~~！！！

問題7: 新線程如何終止？

1.我們可以在新線程中用return
2.我們可以在新線程中用pthread_exit 注意exit 是終止整個進程。
3.我們可以在新線程中使用pthrad_cancel
線程被取消線程的退出結果是：-1 #define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <vector>void *RunThread(void *args)
{while (true){std::string name = (const char *)args;std::cout << name << std::endl;sleep(3);}return args;
}int main()
{std::vector<pthread_t> tids;for (int i = 0; i < 10; i++){pthread_t tid;// char name[1024];char *name = new char[1024];snprintf(name, 1024, "this is %d new thread", i + 1);pthread_create(&tid, nullptr, RunThread, name);tids.push_back(tid);}for (auto tid : tids){// pthread_detach(tid);pthread_cancel(tid);void *ret = nullptr;int n = pthread_join(tid, &ret);std::cout << (long long int)ret << " quit.." << std::endl;// std::cout<<"n="<<n<<std::endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述

pthread_cancel 是請求取消另一個線程，而 pthread_exit 是線程自身決定退出。

在這里插入圖片描述

某個線程調用了exit 整個進程就結束了~
exit 你走錯片場了啊。要用pthread_exit

void * RunThread(void * args)
{std::string name = (const char *) args;std::cout<<name<<std::endl;pthread_exit(args);return args;
}

在這里插入圖片描述

問題8: 可以不可以不join線程，讓他執行完就退出呢？？可以！

我們用pthread_detach 就可以了，然后線程變成unjoinable 狀態，如果此時再等待就會出錯然后終止整個進程。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <vector>void *RunThread(void *args)
{while (true){std::string name = (const char *)args;std::cout << name << std::endl;sleep(3);}return args;
}int main()
{std::vector<pthread_t> tids;for (int i = 0; i < 10; i++){pthread_t tid;// char name[1024];char *name = new char[1024];snprintf(name, 1024, "this is %d new thread", i + 1);pthread_create(&tid, nullptr, RunThread, name);tids.push_back(tid);}for (auto tid : tids){pthread_detach(tid); // 主線程分離新線程，新線程必須存在}for (auto tid : tids){// pthread_detach(tid);pthread_cancel(tid);void *ret = nullptr;int n = pthread_join(tid, &ret);std::cout << "n:"<<n<<std::endl;// std::cout<<"n="<<n<<std::endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述

封裝線程

#include <string>
#include <pthread.h>
#include <functional>
namespace ThreadModel
{   class Thread{typedef void  (*func_t)(std::string); // ?// using func_t = std::function<void()>;public:Thread(const std::string & name,func_t func):_name(name),_func(func){}~Thread(){}void Excute(){_isrunning = true;_func(_name); // 這里傳了線程名_isrunning = false;}static void * Routine(void * args) // 不用static 第一個參數是this{Thread * self  = static_cast<Thread*>(args);//  self->_func();self->Excute();return nullptr;}void start(){pthread_create(&_tid,nullptr,Routine,(void *)this);}void join(){// std::cout<<_isrunning<<std::endl;//  std::cout<<true<<std::endl;if(_isrunning) // 只有在運行中的線程才需要被等待{//std::cout<<"..."<<std::endl;pthread_join(_tid,nullptr);}}// 終止線程void stop(){if(_isrunning){_isrunning = false;pthread_cancel(_tid);}}private:std::string _name;pthread_t _tid;func_t _func; bool _isrunning;  // 主要 用于線程終止時 只有啟動了的線程 才能終止      };
}