【Linux】线程深度指南：从等待、分离到 C++ 多线程实战，一文搞懂线程 ID 与进程空间（4）

一、线程等待

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <cstdio> #include <stdlib.h> #include <ctime> #include <unistd.h> #include "Task.hpp" #include <vector> void* Routine(void* args) { std::string name = static_cast<const char*>(args); while(true) { std::cout << "new thread" << name << std::endl; sleep(5); break; } return (void*)10; } //线程等待 int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid,nullptr,Routine,(void*)"thread_1"); //等待线程退出，否则会出现类似于进程僵尸问题 void* retval = nullptr; int n = pthread_join(tid,&retval); if(n == 0)//等待成功 { std::cout << "join success: " << (long long)retval << std::endl; } return 0; }

注意：使用 ps -aL 是查不到线程退出时的僵尸状态的，因为 ps -aL 查的是系统级的轻量级进程，在内核中已经把这个线程释放了，但是线程管理的相关消息在 pthread 库内部中还存在。

问题：pthread_join 获取到的退出消息，为什么没有退出信号？为什么没有进行异常分析

答：新线程出异常，进程全部退出，线程没机会 join 成功，所以线程不需要关系异常。

注意：Routine 的返回值不一定是整数，他可以是一个字符串、类对象等。

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <cstdio> #include <stdlib.h> #include <ctime> #include <unistd.h> #include "Task.hpp" #include <vector> void* Routine(void* args) { std::string name = static_cast<const char*>(args); while(true) { std::cout << "new thread" << name << std::endl; sleep(1); } } //线程等待 int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid,nullptr,Routine,(void*)"thread_1"); //等待线程退出，否则会出现类似于进程僵尸问题 sleep(5); pthread_cancel(tid);//主动杀掉指定线程 void* retval = nullptr; int n = pthread_join(tid,&retval); if(n == 0)//等待成功 { std::cout << "join success: " << (long long)retval << std::endl; } return 0; }

如果是主线程主动杀掉线程时，线程的退出消息为 -1（PTHREAD_CANCELED）；

二、分离线程

默认情况下，新创建的线程是 joinable 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 是一种负担，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。此时把线程设置成分离状态就行。

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <cstdio> #include <stdlib.h> #include <ctime> #include <unistd.h> #include "Task.hpp" #include <vector> void* Routine(void* args) { std::string name = static_cast<const char*>(args); int cnt = 5; while(cnt--) { std::cout << "new thread" << name << std::endl; sleep(1); } return (void*)10; } //线程等待 int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid,nullptr,Routine,(void*)"thread_1"); sleep(2); pthread_detach(tid);//把线程设置分离状态 void* retval = nullptr; int n = pthread_join(tid,&retval); if(n == 0)//等待成功 { std::cout << "join success: " << (long long)retval << std::endl; } else { sstd::cout << "join erroe: " << n << std::endl; } return 0; }

如果把线程设置成分离状态，主线程还要等待线程的话，必然会等待失败。

注意：一旦线程被设置成分离状态，则主线程不能提前退，甚至主线程是个死循环。既然把线程分离了，但是一旦线程出了问题，例如：除0，野指针等，还是会导致整个进程崩掉。

三、线程 ID 和进程地址空间布局

首先 pthread 库也是库，要加载到内存，进而映射到当前进程的虚拟地址空间，以便支持线程控制，在之前的我们可以知道线程的 id 值是一个非常大的数字，现在我可以明确的是线程的 id 值就是一个地址！线程既然可以有多个，那么有的线程正在运行、正在退出、正在分离等，这么多的线程肯定是要被管理起来的，怎么管理？先描述，再组织；注意：这里的线程概念在 Linux 内核中是没有体现出来的，内核里只有轻量级进程的概念，所以线程概念只有在 pthread 库里面体现！所以描述线程，使用 stuct Tcb 来描述，不是在 Linux 内核中描述，而是在 pthread 库里面描述，而组织请看下图：

我们每创建一个线程，在虚拟地址空间里面的 pthread 库就会创建该线程的属性信息，这些属性信息包括：struct pthread 结构体（这个结构体就是上面说的 Tcb）、线程局部存储、线程栈。而线程 id 值或者说 tid 就是这个属性信息的起始地址！！因为每个线程的属性信息在虚拟地址空间上是连续的，所以我们可以联想成是一个数组来管理这些线程的属性信息。在 struct pthread 结构体里面有个变量 void * result 这个变量来存储线程退出的信息，也就是说当 Routine 函数的返回值起始就是赋值给这个变量 result ，而 pthread_join 获取到线程退出的信息也就是把这个变量 result 赋值给我们的传过去的变量。

我们创建线程的底层是调用 clone 系统调用，而 clone 函数是用来创建轻量级进程或者进程的，在 clone 中如果不用创建虚拟地址空间、页表等数据结构，那么就是要创建轻量级进程，即：只创建 PCB ，那么我们可以得出一个结论：每创建一个线程都会在系统层面上有对应的 PCB ，也就是说：struct pthread : struct task_struct = 1 ：1，这个称为：1：1 式的用户及线程；而 PCB 承担线程的调度、保存轻量级进程的上下文数据等作用，而 struct pthread 结构体是在库里面描述线程的属性，只是 PCB 承担了线程的大部分属性，所以 struct pthread 里面的属性才会这么少。所以线程退出时，PCB 是直接释放的，所以我们使用 pa -aL 来查线程是查不到的，但是 struct pthread 还存在，所以我们要等待线程释放掉这个 struct pthread 结构体以及该线程的线程局部存储、线程栈。struct pthread 和 线程局部存储、线程栈我们叫做线程的描述信息。

线程局部性存储：

#include <iostream> #include <pthread.h> #include <cstdio> #include <stdlib.h> #include <ctime> #include <unistd.h> #include "Task.hpp" #include <vector> //此时还没有就行线程局部存储 pid_t id = 0; void* Routine(void* args) { std::string name = static_cast<const char*>(args); while (true) { std::cout << "new thread id: " << id << std::endl; id++; sleep(1); } return nullptr; } int main() { pthread_t tid; pthread_create(&tid,nullptr,Routine,(void*)"thread_1"); while (true) { std::cout << "main thread id : " << id << std::endl; sleep(1); } pthread_join(tid,nullptr); return 0; }

上面的出现这张情况的原因：因为线程局部性存储是给每个线程开辟一段栈空间，也就是上面这个 id 值的地址在每个线程的中的虚拟地址是不一样的：

注意：mmap 区域其实就是虚拟地址空间的共享区；上面图片中的线程栈是专门给线程使用的，而上上张图里面的主线程栈是给主线程使用的。

线程局部性存储：只能用来局部性存储内置类型，常见的是整型；

线程局部性存储的意义：可以让不同的线程用同样的变量名，访问不同的内存块，各自访问各自的局部存储。

注意：线程局部性存储这个工作/过程是编译器做的。

四、C++ 的多线程（代码示范）

#include <iostream> #include <unistd.h> #include <thread> void Routine(int cnt) { while (cnt--) { std::cout << "new thread : " << cnt << std::endl; sleep(1); cnt--; } } int main() { std::thread t(Routine,10);//创建线程 while(true) { std::cout << "main thread" << std::endl; sleep(1); } t.join();//线程等待 return 0; }

TestThread:TestThread.cc g++ -o $@ $^ -std=c++11 .PHONY:clean clean: rm -f TestThread

使用C++来编写线程，在 Linux 中能跑，而且把这份代码复制到 Windows 平台下也能跑，这证明 C++ 具有很强的跨平台性（把所有的平台对应的线程代码用 C++ 封装，对外提供统一的接口），C++ 多线程的本质是在Linux系统中 C++ 多线程操作对 pthread 库的封装。

问题：为什么 C++ 性特性支持要以年为单位？

答：从技术角度，他要把所有的平台对应的功能全部封装一遍。

问题：为什么所有语言都追求跨平台性？

答：Windows 和 Linux 背后的用户的百万级别的，如果 C++ 只支持其中的一方，就会导致 C++ 失去了其中一个平台的用户，总之支持跨平台性就是为了让更多用户使用。

未完待续！