Linux内核线程实现原理
类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。
1. 轻量级进程(light-weight process)，也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone
2. 从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的
3. 进程可以蜕变成线程
4. 线程可看做寄存器和栈的集合
5. 在linux下，线程最是小的执行单位；进程是最小的分配资源单位
察看LWP号：ps –Lf pid 查看指定线程的lwp号。
三级映射：进程PCB --> 页目录(可看成数组，首地址位于PCB中) --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元
对于进程来说，相同的地址(同一个虚拟地址)在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但，页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。
但！线程不同！两个线程具有各自独立的PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个PCB共享一个地址空间。
实际上，无论是创建进程的fork，还是创建线程的pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数clone。
如果复制对方的地址空间，那么就产出一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。
因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只在用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数 pthread_* 是库函数，而非系统调用。
线程共享资源
1.文件描述符表
2.每种信号的处理方式
3.当前工作目录
4.用户ID和组ID
5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)
线程非共享资源
1.线程id
2.处理器现场和栈指针(内核栈)
3.独立的栈空间(用户空间栈)
4.errno变量
5.信号屏蔽字
6.调度优先级
线程优、缺点
优点： 1. 提高程序并发性 2. 开销小 3. 数据通信、共享数据方便
缺点： 1. 库函数，不稳定 2. 调试、编写困难、gdb不支持 3. 对信号支持不好
优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。
线程控制原语
pthread_self函数
获取线程ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。
pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失败：无！
线程ID：pthread_t类型，本质：在Linux下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现
线程ID是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程ID允许相同)
注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。
pthread_create函数
创建一个新线程。 其作用，对应进程中fork() 函数。
int pthread_create(thread *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
返回值：成功：0； 失败：错误号 -----Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。
参数：
pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t;
参数1 thread：传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID
参数2 pthread_attr_t：通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。
参数3：函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。
参数4：线程主函数执行期间所使用的参数，不用参数为NULL。
例：
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdilb.h> 4 #include <pthread.h> 5 6 void *thrd_func(void *arg) 7 { 8 printf("In thread: thread id = %u, pid = %u ", pthread_self(), getpid()); 9 return NULL; 10 } 11 12 int main(void) 13 { 14 pthread_t tid; 15 int ret; 16 17 printf("In main 1: thread id = %u, pid = %u ", pthread_self(), getpid()); 18 19 ret = pthread_create(&tid, NULL, thrd_func, NULL); 20 if(ret != 0) 21 { 22 printf("pthread_create error "); 23 exit(1); 24 } 25 26 printf("In main 2: thread id = %u, pid = %u ", pthread_self(), getpid()); 27 return 0; 28 }
pthread_exit函数
将单个线程退出
void pthread_exit(void *retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL
思考：使用exit将指定线程退出，可以吗？ 【pthrd_exit.c】
结论：线程中，禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出。
在不添加sleep控制输出顺序的情况下。pthread_create在循环中，几乎瞬间创建5个线程，但只有第1个线程有机会输出（或者第2个也有，也可能没有，取决于内核调度）如果第3个线程执行了exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。
所以，多线程环境中，应尽量少用，或者不使用exit函数，取而代之使用pthread_exit函数，将单个线程退出。任何线程里exit导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能return或exit。
另注意，pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。
pthread_join函数
阻塞等待线程退出，获取线程退出状态 其作用，对应进程中 waitpid() 函数。
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失败：错误号
参数：thread：线程ID （【注意】：不是指针）；retval：存储线程结束状态。
对比记忆：
进程中：main返回值、exit参数-->int；等待子进程结束 wait 函数参数-->int *
线程中：线程主函数返回值、pthread_exit-->void *；等待线程结束 pthread_join 函数参数-->void **
使用：
1 void *thrd_func(void *arg) 2 { 3 pthread_exit((void *)1); 4 } 5 6 int main(void) 7 { 8 int *retval; 9 ...... 10 pthread_join(tid, (void **)&retval); 11 12 }
注意：pthread_join的第二个参数是 **类型 ， retval是指针，然后再取一个地址就是**。
结构体：
1 typedef struct{ 2 char ch; 3 int var; 4 char str[64]; 5 }exit_t; 6 7 void *pthrd_func(void *arg) 8 { 9 exti_t *retval = (exit_t*)malloc(sizeof(exit_t)); 10 retval->ch = 'm'; 11 retval->var = 200 12 ...... 13 pthread_exit((void *)retval); 14 } 15 16 int main(void) 17 { 18 exti_t *retval; 19 20 pthread_join(tid, (void **)&retval); 21 }
pthread_detach函数
实现线程分离
int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号
线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。网络、多线程服务器常用。
进程若有该机制，将不会产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要由于进程死后，大部分资源被释放，一点残留资源仍存于系统中，导致内核认为该进程仍存在。
也可使用 pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离。
pthread_cancel函数
杀死(取消)线程 其作用，对应进程中 kill() 函数。
int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号
【注意】：线程的取消并不是实时的，而有一定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)。
类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所(存档点，如：客栈、仓库、城里等)才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点。
取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用creat，open，pause，close，read，write..... 执行命令man 7 pthreads可以查看具备这些取消点的系统调用列表。也可参阅 APUE.12.7 取消选项小节。
可粗略认为一个系统调用(进入内核)即为一个取消点。如线程中没有取消点，可以通过调用pthreestcancel函数自行设置一个取消点。
被取消的线程， 退出值定义在Linux的pthread库中。常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。可在头文件pthread.h中找到它的定义：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。因此当我们对一个已经被取消的线程使用pthread_join回收时，得到的返回值为-1。
线程属性
本节作为指引性介绍，linux下线程的属性是可以根据实际项目需要，进行设置，之前我们讨论的线程都是采用线程的默认属性，默认属性已经可以解决绝大多数开发时遇到的问题。如我们对程序的性能提出更高的要求那么需要设置线程属性，比如可以通过设置线程栈的大小来降低内存的使用，增加最大线程个数。
typedef struct
{
int etachstate; //线程的分离状态
int schedpolicy; //线程调度策略
struct sched_param schedparam; //线程的调度参数
int inheritsched; //线程的继承性
int scope; //线程的作用域
size_t guardsize; //线程栈末尾的警戒缓冲区大小
int stackaddr_set; //线程的栈设置
void* stackaddr; //线程栈的位置
size_t stacksize; //线程栈的大小
} pthread_attr_t;
初始化线程属性
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号
销毁线程属性所占用的资源
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号
线程的分离状态
线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。
非分离状态：线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。
分离状态：分离线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。
线程分离状态的函数：
设置线程属性，分离or非分离
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
获取程属性，分离or非分离
int pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
参数： attr：已初始化的线程属性
detachstate： PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）
PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）
这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timedwait函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。
线程使用注意事项
- 主线程退出其他线程不退出，主线程应调用pthread_exit
- 避免僵尸线程
pthread_join
pthread_detach
pthread_create指定分离属性
被join线程可能在join函数返回前就释放完自己的所有内存资源，所以不应当返回被回收线程栈中的值;
- malloc和mmap申请的内存可以被其他线程释放
- 应避免在多线程模型中调用fork除非，马上exec，子进程中只有调用fork的线程存在，其他线程在子进程中均pthread_exit
- 信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程引入信号机制