程序與執行緒（上）

在學習linux的過程中，程序與執行緒可謂一對好兄弟，是必然要掌握的內容。

一：何所謂程序何所謂執行緒

程序：程序（process）是計算機中的程式關於某資料集合上的一次執行活動，是系統進行資源分配與排程的基本單位。

執行緒：執行緒是作業系統程序排程器可以排程的最小執行單元。

(在第一次看到這樣的描述時，我的感覺是完全摸不著頭腦。既然執行緒是系統排程的最小執行單元，那麼為什麼還說程序是作業系統排程的基本單位？）

事實上，在linux的設計早期，只有程序的概念，沒有執行緒的概念。隨著計算機技術的不斷發展，作業系統需要順應時代，充分發揮多核心cpu的計算能力，所以引入的執行緒的概念。同時為了盡量少的修改原有的架構，linux中的執行緒可以說是程序的乙個閹割版，故而二者有著千絲萬縷的聯絡。在《linux環境程式設計從應用到核心》一書中，提到了將程序看作是執行緒組的說法，這樣做十分方便我們理解執行緒與程序的關係。如果把程序看作乙個執行緒組（每個程序中至少要有乙個執行緒），系統為每乙個執行緒組分配資源（例如記憶體），同乙個執行緒組內的所有執行緒共享這些資源。系統又決定了不同的執行緒的執行順序，（先決定當前所執行的程序，再決定程序內的哪乙個或多個執行緒）故而作業系統排程的最小單元是執行緒，最小單位是程序。

這裡可以順帶提一下並行和併發。二者都是描述多工時的執行方案的。不同的是，併發是交替進行，並行是同時執行。既然並行是交替執行的，為什麼還要提乙個『並』字呢？我是這樣理解的，計算機在同一時間要執行好多的任務，但是只有乙個cpu，那麼計算機就只好飛快的輪流執行各種任務，給人同時執行的錯覺。故而體現出『並』的意義。所以，提及多程序的，就是說併發。如果計算機有多個cpu，那麼多執行緒就是在說並行。

二：pcb

作業系統裡的pcb說的是程序控制塊，是每乙個程序都擁有的乙個資料結構。linux中的實現是一種名為task_struct的結構體。

它記錄了一下幾個型別的資訊：

1.狀態資訊，例如這個程序處於可執行狀態，休眠，掛起等。

2.性質，由於unix有很多變種，程序有自己獨特的性質。

3.資源，資源的鏈結比如記憶體，還有資源的限制和許可權等。

4.組織，例如按照家族關係建立起來的樹（父程序，子程序等）。

或者這樣說：

1）程序狀態：可以是new、ready、running、waiting或halted等。

（3）cpu暫存器：如累加器、索引暫存器（index register）、堆疊指標以及一般用途暫存器、狀況**等，主要用途在於中斷時暫時儲存資料，以便稍後繼續利用；其數量及類因計算機架構有所差異。

（4）cpu排班法：優先順序、排班佇列等指標以及其他引數。

（5）儲存器管理：如分頁表（page table）等。

（6）會計資訊：如cpu與實際時間之使用數量、時限、帳號、工作或程序號碼。

（7）輸入輸出狀態：配置程序使用i/o裝置，如磁帶機。

如果要查乙個程序的戶口的話，拿到它的pcb，就可以知道關於它的全部資訊。而所謂的資源分配，也是記錄在pcb中的。pcb維護著乙個程序對應的狀態，虛擬記憶體位址，開啟的檔案，排程優先順序，識別符號等等關鍵資訊。

三：tcp

tcp是類似pcb的用以管理執行緒的資料結構。通俗且不負責任的說法，tcp是pcb組成部分。

四：結構造就的現實

既然執行緒是程序的一部分，或者說程序是執行緒的執行緒組，同一組內的執行緒共享程序資源（例如全域性變數，檔案描述符，訊號處理器，當前工作目錄狀態等），但是各自執行各自的函式，也就是有自己的堆疊，那麼這樣的組織形式會帶來什麼樣的結果呢? 執行緒最大的好處就是發揮了多核心cpu的優勢，這一點無需多講（實際上在深入了解linux程式設計之後，對於多執行緒程式設計還需要有特別多的注意點，比如偽共享就是一種效能殺手，發生偽共享的時候多執行緒並發揮不出多核心的優勢。）。此外，由於執行緒是在同乙個程序內的，共享程序的資源，也就是對於作用域是整個程序的變數或其他資源而言，不同執行緒是可以直接拿到並對其操作的。這一點也就使得執行緒擁有了一定意義上的速度優勢。無論是程序還是執行緒，對於資源的操作，都需要協調合作，這樣就就需要各種各樣的鎖機制。執行緒我們用互斥量，讀寫鎖實現對共享資源的保護，程序我們通常使用訊號量設定合適的臨界區來實現互斥或同步。互斥量，讀寫鎖的生存空間，或者說作用域是在整個程序內的，而訊號量是在核心中的。（這一點也與程序和執行緒的結構相互吻合。）

另外，執行緒的引入使得我們需要考慮向乙個程序傳送訊號，具體由哪乙個執行緒負責接收與處理。

五：pid tgid

以往pid表示的就是程序id，但是現在程序已經變成執行緒組了。所以pid實際表示的是執行緒id，tgid表示的是執行緒組id，也是是程序id。主線程的id與程序的id是相同的。也就是所，呼叫getpid實際上得到的是tgid，而呼叫gettid得到的是pid。

為了驗證，執行這樣的**：

#include #include #include #include #include void* handler(void *a)
int main()
; for(i = 0;i < 5; i++)
for(i = 0;i < 5; i++)
return 0;
}

得到的結果為:

im pthread no.0,geipid:4302,gettid:4303 im pthread no.1,geipid:4302,gettid:4304 im pthread no.2,geipid:4302,gettid:4305 im pthread no.3,geipid:4302,gettid:4306

im pthread no.4,geipid:4302,gettid:4307

可以看到確實如此。

但是，既然有執行緒id，為什麼pthread_create函式還需要在第乙個引數中記錄執行緒id呢？直接返回乙個pid不就可以了嗎？

注意！這兩個id是不同的。

重要的事情說三遍。

修改上邊的**，把p_t裡邊的內容列印出來看一下。

#include #include #include #include #include void* handler(void *a)
int main()
; for(i = 0;i < 5; i++)
for(i = 0;i < 5; i++)
for(i = 0;i < 5; i++)
return 0;
}

得到這樣的結果：

im pthread no.0,geipid:4660,gettid:4661 im pthread no.4,geipid:4660,gettid:4665 im pthread no.3,geipid:4660,gettid:4664 im pthread no.2,geipid:4660,gettid:4663 im pthread no.1,geipid:4660,gettid:4662 pthread_t:按整形列印1201022720,按位址列印0x7f9347962700 pthread_t:按整形列印1192630016,按位址列印0x7f9347161700 pthread_t:按整形列印1184237312,按位址列印0x7f9346960700 pthread_t:按整形列印1175844608,按位址列印0x7f934615f700

pthread_t:按整形列印1167451904,按位址列印0x7f934595e700

首先可以看出的是，兩次執行的tgid是不同的，但同一次執行內的tgid是相同的，再次印證了上面的內容。而p_t中記錄的執行緒id，與系統呼叫gettid得到的不是同乙個值，看起來更像是某個位址。我用的是centos系統，在其他系統下，比如ios中pthread_t儲存的資料可能又是另外的值。這是怎麼回事？乙個執行緒怎麼會有兩種id，並且不同系統下的id還會不一樣？

六：兩種執行緒id

gettid得到的執行緒id：《linux系統程式設計從應用到核心》給出的解釋是：執行緒是一種輕量級程序，是作業系統排程器的最小單位，所以需要乙個執行緒id來操作執行緒。也就是說，這的執行緒id是類似程序id的一種存在，對於每乙個執行緒，核心中有且僅有乙個數字將其標記，每個執行緒的id不同，通過執行緒id可以唯一的確定乙個執行緒。 pthread_t pthread_self pthread_equal 中的執行緒id 這一線程id是用來標記乙個程序內的執行緒的，通過上文我們知道，同一程序內的執行緒存在於程序的棧上，每個執行緒都有自己的棧位址。如果拿到了某個執行緒在棧上的起始位置，那麼就可以標記這個執行緒。所以有些系統中線程的位址填充執行緒id。因為程序中的位址都是虛擬位址，由mmap完成對映，所以兩個不同程序內的執行緒可能有相同的虛擬位址，故而有時會有不同程序內的不同執行緒，擁有相同的執行緒id。不同作業系統對這一種執行緒id的實現是不同的，所以要注意以下幾點： 1）getpid gettid的返回都可以用int接受也可以用pid_t 接受。但是pthread_t pthread_self pthread_equal中的執行緒id只能用pthread_t接受 2）因為不知道pthread_t的具體實現，固一般不列印pthread_t

3）同上，因為不知道ptread_t的具體實現，為了保證抑制性和正確性，最好使用pthread_equal來判斷兩個執行緒id是否相同。

程序與執行緒（上）

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