Linux系统 2023 年 4 月 15 日

[Linux] 如何理解线程ID？什么是线程局部存储？

在Linux中, 使用 pthread_create() 创建线程的时候, 第一个参数就是用来接收线程ID的

Linux系统多线程约2364字 -- 阅读时间≈6分钟

前面的几篇文章, 介绍了线程的概念与控制的一些基本的内容.

虽然已经介绍了很多了, 但是一直都没有详细的介绍一个重要的东西：线程ID

那么, 本篇文章就来着重介绍一下, 如何理解线程ID

Linux线程ID

在Linux中, 使用 pthread_create() 创建线程的时候, 第一个参数就是用来接收线程ID的.

此线程ID, 是 pthread 库维护线程时所使用的唯一标识符

而不是 Linux系统内核中对于表示线程的PCB 的线程ID. Linux内核中的线程ID, 就是PCB的pid, 是LWP.

Linux内核中的LWP 与 pthread 库维护的线程ID, 是 1对1的关系.

pthread 创建一个线程, 操作系统就会对新的PCB 分配一个 LWP, pthread 库也会分配一个线程ID 作为库维护线程的唯一标识符

那么线程ID是什么？有什么意义呢？

什么是线程ID

进程有进程ID, 即 PID, 是进程在操作系统中的唯一标识符.

而线程也有自己的ID, 通常叫做 TID, 是线程在操作系统中的唯一标识符. 一般为 无符号的长整型(pthread_t).

TID, 一般都很大：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    pthread_t tid1;
    pthread_create(&tid1, nullptr, nullptr, nullptr);
    cout << "tid1 = " << tid1 << endl;

    return 0;
}

它为什么这么长呢？

虽然线程ID是一个无符号的长整型, 但 实际上线程ID表示的是一个地址, 如果我们将获取到的TID以16进制输出：

如何理解线程ID **

我们通过一定方法获取的线程ID, 除了表示线程在操作系统中的 唯一标识 之外. 实际还 表示一个地址.

这个地址是什么呢？

我们通过 pthread_create() 创建的线程, 在运行时, 一定会产生一些临时数据：临时变量、函数调用等

所以说, 其实线程也有自己的栈结构, 新线程的栈是独立与主线程(进程)的.

既然线程存在一个独立的栈结构, 那么这个栈结构是谁创建的呢？又在什么地方呢？

线程的管理 **

使用过pthread 库的接口, 编译生成的可执行程序. 运行时肯定是需要 libpthread.so 动态库的

我们使用的 pthread 库, 是用户级的线程库, 程序运行调用接口时, 会被 加载到内存 中, 再 映射到进程地址空间的共享区

当线程需要调用 pthread 库中的接口时, 操作系统就会将磁盘中的动态库加载到内存中, 然后线程就会跳到共享区去找内存加载的动态库代码.

进程中的代码一定包含三部分:

程序编写的代码

动态库代码

系统内核代码

我们知道了 pthread线程库 会被加载到内存中并被 映射到进程地址空间的共享区

那么, 其实就可以将一个简单的调用了 pthread线程库 的进程抽象为这样：

再来思考一个问题, Linux中 线程是操作系统内核来管理的吗？

Linux内核层面, 实际上没有线程的概念, 只有轻量级进程. 所以 PCB 是操作系统内核管理的没错.

但线程是操作系统内核管理的吗？并不是.

Linux 内核只有轻量级进程的概念、执行流的概念. 即使可以模拟出线程, 但是线程也不是Linux内核中存在的概念.

操作系统为用户 提供了 创建子进程、共用进程地址空间进程的接口, 而并 没有提供 直接创建、管理线程的接口.

我们使用的线程创建、控制等, 其实是 pthread 库封装了系统关于创建子进程相关接口而成的库接口.

pthread 库中帮我们实现了从轻量级进程到线程的过程：创建线程栈、分配任务, 以及线程的控制等相关接口.

那么, 说到这里其实可以明白了, 线程不是由操作系统内核管理的, 而是由 pthread 库管理的.

操作系统内核为线程的模拟提供了轻量级进程的概念, 而 pthread 库则通过轻量级进程和操作系统提供的接口 实现了我们理解的线程

我们创建进程, 是操作系统内核代码创建的. 操作系统进行对进程的管理, 实现了PCB.

而我们创建线程, 可以说是 pthread 库代码创建的. 那么, 为了方便线程的管理 pthread 库代码中也实现了有关描述线程属性的结构体.

假如, pthread 库中实现的描述线程属性的结构体是struct thread_struct{}, 那么此结构体的成员就可以抽象为：

struct thread_struct {
    pthread_t tid; 			// 线程ID
    void* stack;			// 线程栈
    ……
}

即, pthread 库维护有线程的栈、线程的分配等结构. 此结构体也是库维护的：

描述线程属性的结构体, 会由 pthread 库创建并维护

图示的意思是, pthread 库会创建并维护线程属性的结构体, 而不是说此结构体会存储在库所在代码空间中, 更不是会存储在共享区.

介绍到现在, 其实已经可以回答两个问题了：

线程的栈是由谁创建的？我们使用 pthread_create() 创建线程, 那么线程的栈就是就是 pthread 库创建的. 因为 pthread 库在创建线程的时候, 会创建线程的属性结构体, 结构体内维护由线程栈的信息.

这里介绍一个内容:

Linux若使用 pthread 库创建线程, 则 进程地址空间内的栈区 就是 主线程的栈区. 其他新线程的栈区 是在由pthread库维护的一块空间内分配维护的.
我们通过 pthread 库获取的线程ID, 表示的地址实际就是一个描述线程属性的结构体的地址.

pthread_t 到底是什么类型呢？取决于实现. 对于Linux目前实现的 NPTL 实现而言, pthread_t 是一个无符号长整型, 可以用来表示 pthread 库维护线程时的唯一标识符, 也可以用来表示进程地址空间中的一个地址. 此地址就是描述线程属性的结构体的地址.

pthread 库实现的线程是在Linux轻量级进程的基础上, 又维护了一些属性实现的.

即 pthread 库中描述线程属性的结构体应该是直接或间接维护有线程的PCB.

对于Linux目前实现的 NPTL 实现而言, pthread_t 是一个无符号长整型, 可以用来表示进程地址空间中的一个地址.

但这种实现方式并不是 POSIX 标准规定的. 所以是不符合 POSIX 标准的. 所以最好不要通过此线程ID 操作线程的属性. 不然可能会影响代码的可移植性.

线程局部存储

pthread 库中定义的描述线程的属性的结构体中, 维护有一个特殊区域：线程局部存储区域

这个区域的作用, 需要用代码来表现.

我们知道, 进程中的数据, 对线程来说都是可以见的, 全局数据更是所有线程都可以修改.

那么, 先来观察下面这段代码的执行结果：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <syscall.h>
#include <pthread.h>
using std::cout;
using std::endl;

int global_value = 100;

void* startRoutine(void* args) {
    const char* name = static_cast<const char*>(args);

    while (true) {
        printf("%s: %lu global_value: %d &global_value: %p Inc: %d lwp: %ld\n", 
                name, pthread_self(), global_value, &global_value, --global_value, ::syscall(SYS_gettid));

        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2, tid3;

    pthread_create(&tid1, nullptr, startRoutine, (void*)"thread1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, startRoutine, (void*)"thread2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, startRoutine, (void*)"thread3");

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

    return 0;
}

执行这段代码：

这段代码的执行结果就是, 我们创建的新线程都在对 global_value 执行--操作, 并且可以看到, 不同线程访问的global_value地址都是相同的会互相影响.

但是, 如果我们在全局变量的定义前, 加一个 __thread：

__thread int global_value = 100;

然后在执行代码：

可以看到一个明显的变化, 不同线程看到的是不同的地址, 实际看到的是不同的数据.

这就是 线程局部存储, 只属于线程自己的局部存储数据

感谢阅读~

作者：哈米d1ch 发表日期：2023 年 4 月 15 日