Linux线程之线程 线程组 进程

Thread Local Storage，线程本地存储，大神Ulrich Drepper有篇PDF文档是讲TLS的，我曾经努力过三次尝试搞清楚TLS的原理，均没有彻底搞清楚。这一次是第三次，我沉浸glibc的源码和kernel的源码中，做了一些实验，也有所得。对Linux的线程有了进一步的理解。
   线程是有栈的，我们知道，普通的一个进程，它的栈空间是8M，我们可以通过ulmit -a查看：

stack size (kbytes, -s) 8192


   线程也不例外，线程也是需要栈空间的这句话是废话，呵呵。对于属于同一个进程（或者说是线程组）的多个线程他们是共享一份虚拟内存地址的，如下图所示。这也就决定了，你不能无限制创建线，因为纵然你什么都不做，每个线程默认耗费8M的空间（事实上还不止，还有管理结构，后面陈述）。Ulrich Drepper大神有篇文章《Thread numbers and stacks》，分析了线程栈空间方面的计算。如果我们真的需要很多个线程的话，幸好我们还是可以做一些事情。我们可以通过pthread_attr_setstacksize,设定好stack size属性然后在pthread_create.

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1.int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize);

2. 

3.int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,

4.void *(*start_routine) (void *), void *arg);

 

   线程栈如上图所示，共享进程（或者称之为线程组）的虚拟地址空间。既然多个线程聚集在一起，我怎么知道我要操作的那个线程栈的地址呢。要解决这个问题，必须要领会线程和进程以及线程组的概念。我不想写一堆片汤话，下面我运行我的测试程序，然后结合现象分析原因：
www.it165.net
 

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001.#include <stdio.h>

002.#include <pthread.h>

003.#include <sys/syscall.h>

004.#include <assert.h>

005. 

006.#define gettid() syscall(__NR_gettid)

007. 

008.pthread_key_t key;

009.__thread int count = 2222;

010.__thread unsigned long long count2 ;

011.static __thread int count3;

012.void echomsg(int t)

013.{

014.printf("destructor excuted in thread %x,param=%x\n",pthread_self(),t);

015.}

016. 

017.void * child1(void *arg)

018.{

019.int b;

020.int tid=pthread_self();

021. 

022.printf("I am the child1 pthread_self return %p gettid return %d\n",tid,gettid());

023. 

024.char* key_content = malloc(8);

025.if(key_content != NULL)

026.{

027.strcpy(key_content,"ACACACA");

028.}

029.pthread_setspecific(key,(void *)key_content);

030. 

031.count=666666;

032.count2=1023;

033.count3=2048;

034.printf("I am child1 , tid=%x ,count (%p) = %10d,count2(%p) = %10llu,count3(%p) = %6d\n",tid,&count,count,&count2,count2,&count3,count3);

035.asm volatile("movl %%gs:0, %0;"

036.:"=r"(b) /* output */

037.);

038. 

039.printf("I am child1 , GS address %x\n",b);

040. 

041.sleep(2);

042.printf("thread %x returns %x\n",tid,pthread_getspecific(key));

043.sleep(50);

044.}

045. 

046.void * child2(void *arg)

047.{

048.int b;

049.int tid=pthread_self();

050. 

051.printf("I am the child2 pthread_self return %p gettid return %d\n",tid,gettid());

052. 

053.char* key_content = malloc(8);

054.if(key_content != NULL)

055.{

056.strcpy(key_content,"ABCDEFG");

057.}

058.pthread_setspecific(key,(void *)key_content);

059.count=88888888;

060.count2=1024;

061.count3=2047;

062.printf("I am child2 , tid=%x ,count (%p) = %10d,count2(%p) = %10llu,count3(%p) = %6d\n",tid,&count,count,&count2,count2,&count3,count3);

063. 

064. 

065.asm volatile("movl %%gs:0, %0;"

066.:"=r"(b) /* output */

067.);

068. 

069.printf("I am child2 , GS address %x\n",b);

070. 

071.sleep(1);

072.printf("thread %x returns %x\n",tid,pthread_getspecific(key));

073.sleep(50);

074.}

075. 

076. 

077.int main(void)

078.{

079.int b;

080.pthread_t tid1,tid2;

081.printf("hello\n");

082. 

083. 

084.pthread_key_create(&key,echomsg);

085. 

086.asm volatile("movl %%gs:0, %0;"

087.:"=r"(b) /* output */

088.);

089. 

090.printf("I am the main , GS address %x\n",b);

091. 

092.pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);

093.pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);

094. 

095.printf("pthread_create tid1 = %p\n",tid1);

096.printf("pthread_create tid2 = %p\n",tid2);

097. 

098.sleep(60);

099.pthread_key_delete(key);

100.printf("main thread exit\n");

101.return 0;

102.}

    这是一个比较综合的程序，因为我下面要多次从不同的侧面分析。对于现在，我们要展示的是进程 线程 线程组的关系。在一个终端运行编译出来的test2程序，显示的信息如下：
 

 

另一个终端看ps信息，ps显示的信息如下：
 

 

    直接ps，是看不到我们创建的线程的。只有3658一个进程。当我们采用ps -eLf的时候，我们看到了三个线程3658/3659/3660，或者称之为轻量级进程（LWP）。Linux到底是怎么看待这三者的关系的呢：
    Linux下多线程程序，一般都是有一个主进程通过调用pthread_create创建了一个或者多个子线程，如同我们的程序，主进程在main中创建了两个子进程。那么Linux到底是怎么看待这些事情的呢？

 

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1.pid_t pid;

2.pid_t tgid;

3....

4.struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */

   上面三个变量是进程描述符的三个成员变量。pid字面意思是process id，其实叫thread id会更合适。tgid 字面含义是thread group ID。对于存在多个线程的程序而言，每个线程都有自己的pid，没错pid，如同我们例子中的3658/3659/3660,但是都有个共同的线程组ID （TGID）：3658 。
   好吧，我们再重新说一遍，对于普通进程而言，我们可以称之为只有一个LWP的线程组，pid是它自己的pid，tgid还是它自己，线程组里面只有他自己一个光杆司令，自然group_leader也是它自己。但是多线程的进程（线程组更恰当）则不然。开天辟地的main函数所在的进程会有自己的PID，也会有也TGID，group_leader,都是他自己。注意，它自己也是LWP。后面他使用ptherad_create创建了2个线程，或者LWP，这两个新创建的线程会有自己的PID，但是TGID会沿用创建自己的那个进程的TGID，group_leader也会尊创建自己的进程的进程描述符（task_struct)为自己的group_leader。copy_process函数中有如下代码：

 

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01.p->pid = pid_nr(pid);

02.p->tgid = p->pid;//普通进程

03.if (clone_flags & CLONE_THREAD)

04.p->tgid = current->tgid；//线程选择叫起它的进程的tgid作为自己的tgid

05.....

06.p->group_leader = p;//普通进程

07.INIT_LIST_HEAD(&p->thread_group);

08....

09.if (clone_flags & CLONE_THREAD) {

10.current->signal->nr_threads++;

11.atomic_inc(&current->signal->live);

12.atomic_inc(&current->signal->sigcnt);

13.p->group_leader = current->group_leader;//线程选择叫起它的进程作为它的group_leader

14.list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group);

15.}

   OK,ps -eLf中有个字段叫NLWP，就是线程组中LWP的个数，对于我们的例子，main函数所在LWP+两个线程 = 3.
   我们传说的getpid函数，本质取得是进程描述符的TGID，而gettid系统调用，取得才是每个LWP各自的PID。请看上面的图片输出，上面连个线程gettid返回的是3873和3874,是自己的PID。稍微有点毁三观
   除此外，需要指出的是用户态pthread_create出来的线程，在内核态，也拥有自己的进程描述符task_struct（copy_process里面调用dup_task_struct创建）。这是什么意思呢。意思是我们用户态所说的线程，一样是内核进程调度的实体。进程调度，严格意义上说应该叫LWP调度，进程调度，不是以前面提到的线程组为单位调度的，本质是以LWP为单位调度的。这个结论乍一看惊世骇俗，细细一想，其是很合理。我们为什么多线程？因为多CPU，多核，我们要充分利用多核,同一个线程组的不同LWP是可以同时跑在不同的CPU之上的，因为这个并发，所以我们有线程锁的设计，这从侧面证明了，LWP是调度的实体。