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Linux 线程概述

今天，我们来探讨线程的概念及其在操作系统中的实现。

线程的概念

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。相较于传统的进程，线程在资源使用上更为高效。通过线程的多任务并行执行，程序能够在单一处理器核心上实现多线程并发，此外，还能充分利用多核处理器的资源。

进程与线程的关系

一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的地址空间、文件句柄等资源。然而，每个线程都拥有一套独立的执行环境，包括程序计数器、栈空间（调用栈）和寄存器等。线程的共享性质使得其在资源复用方面优于进程。

Linux 线程实现

Linux 的线程实现方式具有独特之处。它并非直接使用专门的线程概念，而是将线程看作轻量级进程（Lightweight Processes, LWP）。在内核中，线程与普通进程无异，都以 task_struct 结构体进行表示。线程通过 clone() 系统调用创建，这使得线程与进程具有共同的基础设施。

Windows 线程实现

Windows 则采用了完全不同的线程模型。操作系统对线程的支持更为深入，通过特定的 API 提供线程的创建、管理和调度。例如，CreateThread 和 SetThreadPriority 等函数为开发者提供了强大的控制能力。此外，Windows 还支持多线程环境下的资源管理，如线程局部存储和互斥机制。

线程的使用实例

我们可以通过简单的示例来理解线程的概念。以下是一个使用 pthread_create 函数创建线程的示例：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      void *ThreadRoutine(void *arg) {    const char *thread_name = (const char *)arg;    while (true) {        std::cout << "I am a thread process, pid: " << getpid() << std::endl;        sleep(1);    }}int main() {    pthread_t tid;    pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void *)"thread 1");        while (true) {        std::cout << "I am the main thread, pid: " << getpid() << std::endl;        sleep(1);    }    return 0;}
     
    
   

此程序创建一个子线程，并在子线程和父线程中打印 PID。子线程会在每个循环中输出 "I am a thread process"，而主线程则输出 "I am the main thread"。

并发写入问题及解决方案

在上述示例中，多个线程同时向标准输出（stdout）写入内容可能导致输出混乱。这是因为 std::cout 的输出操作在��态原子性下进行，容易被其他线程中断。为解决这一问题，可以使用互斥锁机制：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       std::mutex cout_mutex;void *ThreadRoutine(void *arg) {    const char *thread_name = (const char *)arg;    while (true) {        {            std::unique_lock 
       
         lock(cout_mutex);            std::cout << "I am a thread process, pid: " << getpid() << std::endl;        }        sleep(1);    }}int main() {    pthread_t tid;    pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRoutine, (void *)"thread 1");        while (true) {        {            std::unique_lock 
        
          lock(cout_mutex); std::cout << "I am the main thread, pid: " << getpid() << std::endl; } sleep(1); } return 0;}
        
       
      
     
    
   

通过使用互斥锁，我们可以确保同时访问标准输出的唯一性，从而避免输出混乱。

查看线程

在查看线程时，可以使用以下命令：

ps -aL

这将显示所有的进程（LWP），包括线程。例如，输出可能如下：

USER       PID   TTY          VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMANDroot     13091   管道      41680  5056   44   0  0.0%  3.1%  0:00.44 root    13902 13901      9968   80     8   0  0.0%  0.8%  0:00.90 thread 1...

容器中的每个 LWP 都是一个线程，其父进程为 13901。

线程的轻量性

线程由于共享资源和占用的空间相对较少，在多核处理器环境中表现尤为出色。以下是线程的主要优势：

通过以上特点，线程成为实现并发执行和提升程序效率的重要工具。