[ Linux ] 线程独立栈，线程分离，Linux线程互斥

Posted 2022-12-16

1.线程栈

我们使用的线程库是用户级线程库（pthread），我们使用 ldd mythread 可以查看mythread的链接信息。

因此对于一个线程(tast_struct)都是通过在共享空间内执行pthread_create执行线程创建的。所有的代码执行都是在进程的进程地址空间内进行执行的。在了解这些基本的概念之后，我们回顾上一篇的一个问题，pthread_t究竟是什么呢？

1.1pthread_t

上篇文章我就提到过pthread_t是一个无符号长整型整数，但是并没有说pthread_t具体是什么？但是我们把他转化为一个16进制数字时，我们发现这个数字特别想一个地址，那么这里我们需要确认的是，pthread_t 线程Id就是一个地址。而是什么地址呢？我们这里需要知道的是，线程的全部实现，并没有全部体现在操作系统内，而是操作系统提供执行流，具体的线程结构由库来进行管理。库可以创建多个线程->因此库也要管理线程。而库要管理线程也是要先描述再组织。因此在共享区里面包含了struct thread_info，里面就会保存pthread_t tid,线程私有栈等。而申请一个新的线程，库就又会在共享区内创建该线程对应的tid，私有栈等等。而返回的就是该结构的地址。因此pthread_t里面保存的就是对应用户级线程的控制结构体的起始地址！

• 主线程的独立栈结构，用的就是地址空间内的栈区
• 新线程用的栈结构，用的是库中提供的栈结构

pthread_t 到底是什么类型呢？取决于实现。对于Linux目前实现的NPTL(原生线程库)实现而言，pthread_t类型的线程ID，本质就是一个进程地址空间上的一个地址。

Linux中，用户级线程库和LWP是1:1的。

1.2用户级的线程id与内核LWP的对应关系

我们刚刚已经知道了用户级线程id和内核LWP的对应是1:1的。那么我们如果使用代码来验证一下呢？

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>//仅仅是了解

using namespace std;

// 带__thread 给每个线程拷一份
__thread int global_value = 100;

void *startRoutine(void *args)

    while (true)
    
        cout << "thread " << pthread_self() << " global_value: "
             << global_value << " &global_value: " << &global_value
             << " Inc: " << global_value++ << " lwp: " << ::syscall(SYS_gettid) << endl;
        sleep(1);
    


int main()

    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;

    pthread_create(&tid1, nullptr, startRoutine, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, startRoutine, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, startRoutine, (void *)"thread 3");

    pthread_join(tid1, nullptr);
    pthread_join(tid2, nullptr);
    pthread_join(tid3, nullptr);

    return 0;

我们同样使用监控脚本来看看当前系统下的LWP

while :; do ps -aL |head -1 && ps -aL|grep mythread;sleep 1;done

通过打印的结果我们发现 是能够看到用户级线程id和内核LWP的对应是1:1的。

2.分离线程

• 默认情况下，新建线程是joinable的，joinable就是可join的，线程退出后，需要对其进行pthread_join操作，否则无法释放资源，从而造成系统泄漏
• 如果不关心线程的返回值，join的一种负担；这个时候，我们可以告诉系统，当线程退出时，自动释放线程资源。

在什么时候下会使用线程分离呢？

我们都知道主线程会join等待新线程，如果新线程一直不退出，主线程就会一直等待，等新线程退出之后释放新线程的资源，这与我们的进程阻塞式等待类似。如果当主线程并不关心或者不需要新线程的退出码时，新线程可以自己退出后自己释放自己的资源。那么主线程就可以不需要等待新线程了。这就完成了线程间的解耦。也叫做线程分离。

2.1 pthread_detch

• 函数原型：

• int pthread_detach(pthread_t thread);

• 可以是线程组内其他线程对目标线程进行分离，也可以是线程自己分离

• pthread_detach(pthread_self());

注意：joinable和分离是冲突的，一个线程不能即是joinable的又是分离的。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>//仅仅是了解

using namespace std;

// 带__thread 给每个线程拷一份
__thread int global_value = 100;

void *startRoutine(void *args)

    //线程分离
    //pthread_detach(pthread_self());
    while (true)
    
        cout << "thread " << pthread_self() << " global_value: "
             << global_value << " &global_value: " << &global_value
             << " Inc: " << global_value++ << " lwp: " << ::syscall(SYS_gettid) << endl;
        sleep(1);
    


int main()

    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;

    pthread_create(&tid1, nullptr, startRoutine, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, startRoutine, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, startRoutine, (void *)"thread 3");

    sleep(1);

    //倾向于让主线程分离其他线程
    pthread_detach(tid1);
    pthread_detach(tid2);
    pthread_detach(tid3);

    //一旦分离不能join
    int n1 = pthread_join(tid1, nullptr);
    cout<<"strerror(n1): "<< strerror(n1)<<endl;
    int n2 = pthread_join(tid2, nullptr);
    cout<<"strerror(n2): "<< strerror(n2)<<endl;

    int n3 = pthread_join(tid3, nullptr);
    cout<<"strerror(n3): "<< strerror(n3)<<endl;

    return 0;

通过这个实验也验证了一个线程不能即是detach又被join的。

3.线程互斥

3.1互斥相关概念

• 临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
• 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
• 互斥：任何时刻，互斥保证有且仅有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用
• 原子性：不会被恩和调度机制打断的操作，该操作只有两种状态，要么完成，要么未完成。

3.2 互斥量mutex

• 大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
• 但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
• 多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

3.3 售票系统案例验证共享变量会有问题

为了验证共享变量会出问题的情况，我们模拟实现一个售票系统的案例。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h> //仅仅是了解

using namespace std;

int tickets = 10000; // 临界资源

void *getTickets(void *args)

    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    while (true)
    
        //临界区
        if (tickets > 0)
        
            cout << name << " 抢到了票,票的编号是：" << tickets << endl;
            tickets--;
        
        else
        
            
            cout << name << " 已经放弃抢票了，因为没有票了....." << endl;
            break;
        
    
    return nullptr;


int main()

    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;

    pthread_create(&tid1, nullptr, getTickets, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, getTickets, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, getTickets, (void *)"thread 3");

    // sleep(1);

    // // 倾向于让主线程分离其他线程
    // pthread_detach(tid1);
    // pthread_detach(tid2);
    // pthread_detach(tid3);

    // 一旦分离不能join
    int n1 = pthread_join(tid1, nullptr);
    cout << "strerror(n1): " << strerror(n1) << endl;
    int n2 = pthread_join(tid2, nullptr);
    cout << "strerror(n2): " << strerror(n2) << endl;
    int n3 = pthread_join(tid3, nullptr);
    cout << "strerror(n3): " << strerror(n3) << endl;

    return 0;

执行结果我们可以发现，看似好像没有什么问题，但是其实是存在bug的。在这段代码中

这一段代码是既对票做判断，又对票做--，--是并不是由一条语句执行的，而是被翻译成3条语句执行的。

CPU对tickets--这句话，要翻译成：

1. 取数据。将数据从内存取到cpu寄存器内

1. load ：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中

2. 做运算。在寄存器内对数据进行运算。

1. update : 更新寄存器里面的值，执行-1操作

3. 写回数据。将数据从寄存器写回内存。

1. store ：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址

我们可以看看ticket--部分的汇编代码：

取出ticket--部分的汇编代码

objdump -d a.out > test.objdump

152 40064b: 8b 05 e3 04 20 00 mov 0x2004e3(%rip),%eax # 600b34 <ticket>

153 400651: 83 e8 01 sub $0x1,%eax

154 400654: 89 05 da 04 20 00 mov %eax,0x2004da(%rip) # 600b34 <ticket>

而这3个步骤中，线程在任何地方都有可能切换走，而CPU内的寄存器是被所有的执行共享的，但是寄存器里面的数据是属于当前执行流的上下文数据。因此线程要被切换的时候，需要保存上下文；线程要被换回的时候，需要恢复上下文。

因此为了从程序中看到可能错误的数据，我们需要加一个usleep来模拟漫长的业务过程，可能有很多个线程会进入该代码段。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h> //仅仅是了解

using namespace std;

// // 带__thread 给每个线程拷一份
// __thread int global_value = 100;

// void *startRoutine(void *args)
// 
//     //线程分离
//     //pthread_detach(pthread_self());
//     while (true)
//     
//         cout << "thread " << pthread_self() << " global_value: "
//              << global_value << " &global_value: " << &global_value
//              << " Inc: " << global_value++ << " lwp: " << ::syscall(SYS_gettid) << endl;
//         sleep(1);
//     
//

int tickets = 10000; // 临界资源

void *getTickets(void *args)

    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    while (true)
    
        //临界区
        if (tickets > 0)
        
            usleep(1000);//模拟漫长的业务
            cout << name << " 抢到了票,票的编号是：" << tickets << endl;
            tickets--;
        
        else
        
            
            cout << name << " 已经放弃抢票了，因为没有票了....." << endl;
            break;
        
    
    return nullptr;


int main()

    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;

    pthread_create(&tid1, nullptr, getTickets, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, getTickets, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, getTickets, (void *)"thread 3");

    // 一旦分离不能join
    int n1 = pthread_join(tid1, nullptr);
    cout << "strerror(n1): " << strerror(n1) << endl;
    int n2 = pthread_join(tid2, nullptr);
    cout << "strerror(n2): " << strerror(n2) << endl;
    int n3 = pthread_join(tid3, nullptr);
    cout << "strerror(n3): " << strerror(n3) << endl;

    return 0;

此时我们确实看到了，产生了脏数据。

3.4 解决抢票问题

要解决以上的问题，我们需要做到三点：

1. 代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
2. 如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
3. 如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能组织其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫做互斥量。

在临界区内，只能够允许一个线程执行，不允许多个线程同时执行，因此一旦我们给买票的过程加上一把锁，在某一时刻，只能够允许一个线程买票，因此可以保证整个买票的过程是原子的。

3.5互斥量的接口

3.5.1初始化互斥量

申请锁：

初始化互斥量的两种方法：

• 方法一：静态分配

• pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER、

• 方法二：动态分配

• int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

• 参数：

• mutex：要初始化的互斥量
• attr：NULL

3.5.2 销毁互斥量

释放锁：

销毁互斥量需要注意：

• 使用PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
• 不要销毁一个已经加锁的互斥量
• 已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再次尝试加锁

函数原型：int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

3.5.3 编码

在我们上述的售票系统中，其中很明显的是，票数tickets属于临界资源，我们需要对其进行加锁。

在我们申请锁成功之后，我们对互斥量进行加锁和解锁，我们将使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值:成功返回0,失败返回错误号

注意：我们加锁只需要对临界区加锁，而且加锁的粒度越细越好。而加锁的本质是让线程执行临界区的代码串行化。

调用pthread_mutex_lock时，可能会遇到一下情况：

• 互斥量处于未锁状态，该函数将会互斥量锁定，同时返回成功
• 发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_mutex_lock调用会陷入阻塞（执行流被挂起），等待互斥锁解锁。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h> //仅仅是了解

using namespace std;

int tickets = 10000; // 临界资源
pthread_mutex_t mutex;//定义锁
void *getTickets(void *args)

    const char *name = static_cast<const char *>(args);
    while (true)
    
        //临界区
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (tickets > 0)
        
            usleep(1000);
            cout << name << " 抢到了票,票的编号是：" << tickets << endl;
            tickets--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        
        else
        
            
            cout << name << " 已经放弃抢票了，因为没有票了....." << endl;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        
    
    return nullptr;


int main()

    pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;

    pthread_create(&tid1, nullptr, getTickets, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, getTickets, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, getTickets, (void *)"thread 3");

    // 一旦分离不能join
    int n1 = pthread_join(tid1, nullptr);
    cout << "strerror(n1): " << strerror(n1) << endl;
    int n2 = pthread_join(tid2, nullptr);
    cout << "strerror(n2): " << strerror(n2) << endl;
    int n3 = pthread_join(tid3, nullptr);
    cout << "strerror(n3): " << strerror(n3) << endl;

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;

3.5.4 互斥锁的相关问题

• 加锁是一套规范，通过临界区对临界资源进行访问的时候，要加就都需要加锁，不能有的线程加锁有的线程不加锁。
• 锁保护的是临界区，任何线程执行临界区代码访问临界资源，都必须现申请锁，前提是都必须看到锁！那么这把锁本身也是临界资源！而锁的设计者也考虑了这个问题，pthread_mutex_lock线程竞争锁的过程，就是原子的！