Linux线程相关概念

POSIX Threads，通常简称为Pthreads，它是指开放系统接口标准―POSIX线程，1995年规范的POSIX.1c，即线程扩展标准（IEEE Std 1003.1c-1995），其中定义了关于创建和操作线程的相关API。
如今，在很多类Unix的POSIX兼容操作系统上，如FreeBSD，NetBSD，OpenBSD，GNU/Linux，Mac OS X和Solaris等，都已实现Pthreads并且可用。

但在早期的Linux系统上，它所提供的线程机制LinuxThreads仅只是部分实现了Pthreads，具体来说，LinuxThreads是通过系统调用clone来实现的，并不是Linux内核真正提供支持，直到Linux 2.6时NPTL的加入为止。也就是说，在Linux 2.6以前，操作系统最小的调度单位是进程而不是线程。

LinuxThreads的主要开发者为大牛Xavier Leroy。LinuxThreads有一些缺点，比如信号处理、进程调度和进程间同步原语等方面（参考1），因此出现了

另外两个互相竞争的项目：一个IBM的组的项目叫做NGPT（Next Generation POSIX Threads，下一代POSIX线程），另一个组是由Red Hat程序员组成的。2003年中NGPT被放弃，几乎与此同时NPTL公布了。

（参考2）

关于这部分发展历史不做多说，反正就是在当前的Linux系统中，Pthreads是由NPTL实现的，下面逐一讨论几个主题。

1，NPTL的代码位置以及维护者
NPTL的实现代码位于glibc，从man pthreads可以看到，从glibc-2.3.2开始，NPTL已经可用，而从glibc-2.4开始，旧的LinuxThreads不再可用。

NPTL由glibc开发组持续发展和维护，这其中包括另一位大牛Ulrich Drepper。

2，NPTL的线程模型
在讨论这个问题之前需要先了解kernel thread（核心线程）和user thread（用户线程），其

分类标准主要是线程的调度者在核内还是在核外。前者更利于并发使用多处理器的资源，而后者则更多考虑的是上下文切换开销。

（参考1，参考6）

线程模型分为三种：1:1 (Kernel-level threading)、N:1 (User-level threading)和M:N (Hybrid threading)。

对于Linux系统而言，采用的是1:1线程模型，这意味着对于有N个用户线程的程序，就有N个核心线程与此一一对应，这也被认为是最容易用代码实现并且在实践中最高效的模型。

3，同一个进程的多个线程之间共享了哪些数据，各自单独拥有哪些数据。
共享数据（参考4）：
程序指令（Process instructions）
大部分数据（Most data）
打开文件描述符（open files (descriptors)）
信号与信号处理（signals and signal handlers）
当前工作目录（current working directory）
用户id和组id（User and group id）

单独享有（参考4）：
线程id（Thread ID）
部分寄存器和栈指针（set of registers, stack pointer）
栈局部变量和返回地址（stack for local variables, return addresses）
信号掩码（signal mask）
调度优先级（priority）
返回值（Return value: errno）

实例：

[root@localhost pthread]# rz rz waiting to receive. [root@localhost pthread]# rpm -q glibc glibc-2.12-1.7.el6.x86_64 glibc-2.12-1.7.el6.i686 [root@localhost pthread]# cat pthread1.c /**  * gcc pthread1.c -o pthread1 -lpthread  * ref: http://www./TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html  * modified by: http:///  */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h>   void *print_message_function( void *ptr );   main() {      pthread_t thread1, thread2;      char *message1 = "Thread 1";      char *message2 = "Thread 2";      int  iret1, iret2;       /* Create independent threads each of which will execute function */        iret1 = pthread_create( &thread1, NULL, print_message_function, (void*) message1);      iret2 = pthread_create( &thread2, NULL, print_message_function, (void*) message2);        /* Wait till threads are complete before main continues. Unless we  */      /* wait we run the risk of executing an exit which will terminate   */      /* the process and all threads before the threads have completed.   */        pthread_join( thread1, NULL);      pthread_join( thread2, NULL);        printf("Thread 1 returns: %d\n",iret1);      printf("Thread 2 returns: %d\n",iret2);      exit(0); }   void *print_message_function( void *ptr ) {      char *message;      message = (char *) ptr;      printf("%s \n", message); } [root@localhost pthread]# gcc pthread1.c -o pthread1 -lpthread -g [root@localhost pthread]# gdb ./pthread1 -q Reading symbols from /home/work/pthread/pthread1...done. (gdb) b 40 Breakpoint 1 at 0x4006ca: file pthread1.c, line 40. (gdb) r Starting program: /home/work/pthread/pthread1 [Thread debugging using libthread_db enabled] [New Thread 0x7ffff7fd6710 (LWP 7307)] [Switching to Thread 0x7ffff7fd6710 (LWP 7307)]   Breakpoint 1, print_message_function (ptr=0x4007e8) at pthread1.c:40 40       printf("%s \n", message); Missing separate debuginfos, use: debuginfo-install glibc-2.12-1.7.el6.x86_64 (gdb) info threads [New Thread 0x7ffff77d5710 (LWP 7308)]   3 Thread 0x7ffff77d5710 (LWP 7308)  0x0000003eba0e14f1 in clone () from /lib64/libc.so.6 * 2 Thread 0x7ffff7fd6710 (LWP 7307)  print_message_function (ptr=0x4007e8) at pthread1.c:40   1 Thread 0x7ffff7fd8700 (LWP 7304)  0x0000003ebac05bf0 in __nptl_create_event ()    from /lib64/libpthread.so.0 (gdb) thread 3 [Switching to thread 3 (Thread 0x7ffff77d5710 (LWP 7308))]#0  0x0000003eba0e14f1 in clone ()    from /lib64/libc.so.6 (gdb) info reg rsp rsp            0x7ffff77d4ff0   0x7ffff77d4ff0 (gdb) thread 2 [Switching to thread 2 (Thread 0x7ffff7fd6710 (LWP 7307))]#0  print_message_function (     ptr=0x4007e8) at pthread1.c:40 40       printf("%s \n", message); (gdb) info reg rsp rsp            0x7ffff7fd5e90   0x7ffff7fd5e90 (gdb) thread 1 [Switching to thread 1 (Thread 0x7ffff7fd8700 (LWP 7304))]#0  0x0000003ebac05bf0 in __nptl_create_event () from /lib64/libpthread.so.0 (gdb) info reg rsp rsp            0x7fffffffe3c8   0x7fffffffe3c8 (gdb)

可以看到三个线程的栈指针是不一样的。另外，我在上面的代码基础上做了一下改动，创建5个相同的线程，查看它们的rsp分别为：

rsp            0x7fffffffe450   0x7fffffffe450 rsp            0x7ffff7fd5ca0   0x7ffff7fd5ca0 rsp            0x7ffff77d4ca0   0x7ffff77d4ca0 rsp            0x7ffff6fd3ca0   0x7ffff6fd3ca0 rsp            0x7ffff67d2ca0   0x7ffff67d2ca0 rsp            0x7ffff5fd1ca0   0x7ffff5fd1ca0

上面第一行为线程1（即主线程）的rsp，然后依次为线程2、3、4、5、6的rsp，可以看到，它们各自的可用栈空间是不重叠的，每个栈大小为0×801000，即8196KB，这刚好匹配我的系统设置（各个栈之间应该是留了一页内存作为分割屏障）：

[root@localhost pthread]# ulimit -s 8192

设置栈大小为1024后，测试各个线程之间的rsp相差：

[root@localhost pthread]# ulimit -s 1024 [root@localhost pthread]# ulimit -s 1024

0x7ffff7fd5ca0 – 0x7ffff7ed4ca0 = 0×101000
即1028KB。

[root@localhost pthread]# cat t.c #include <pthread.h> #include <stdio.h>   int main(int argc, char *argv[]) {    size_t stacksize;    pthread_attr_t attr;    pthread_attr_init(&attr);    pthread_attr_getstacksize (&attr, &stacksize);    printf("Default stack size = %d\n", stacksize);   } [root@localhost pthread]# gcc t.c -lpthread [root@localhost pthread]# ./a.out Default stack size = 1048576

新开终端用ps命令查看：

1 2 3 4 5 6 7 8

[root@localhost linux-2.6.38.8]# ps -eL -f -F | grep PSR | grep -v grep UID        PID  PPID   LWP  C NLWP    SZ   RSS PSR STIME TTY          TIME CMD [root@localhost linux-2.6.38.8]# ps -eL -f -F | grep pthread root      7302 27742  7302  0    1 58006 15672   0 04:43 pts/2    00:00:00 gdb ./pthread1 root      7304  7302  7304  0    3  5641   308   0 04:43 pts/2    00:00:00 /home/work/pthread/pthread1 root      7304  7302  7307  0    3  5641   308   1 04:43 pts/2    00:00:00 /home/work/pthread/pthread1 root      7304  7302  7308  0    3  5641   308   1 04:43 pts/2    00:00:00 /home/work/pthread/pthread1 root      7487 28643  7487  0    1 25800   804   0 04:51 pts/3    00:00:00 grep pthread

PID和PPID相同，而LWP为thread ID，是各不相同的，NLWP表示number of threads，都为3，PSR列表示线程当前所在的cpu号。

4，NPTL的辅助调试工具
GDB：http://www./gdb/onlinedocs/gdb/Threads.html
另外两个专门工具貌似很久没更新了，不知道现在是否还有用，如下：
POSIX Thread Trace Tool (PTT)：http://nptltracetool./
Open POSIX Test Suite (OPTS)：http://posixtest./

参考：
1，http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-thread/
2，http://zh./wiki/Native_POSIX_Thread_Library
3，http://xanpeng.github.com/linux/2012/03/28/linux-pthread.html
4，http://www./TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html
5，http:///questions/807506/threads-vs-processes-in-linux
6，http://www./2012/03/linux-threads-intro/
7，http://www./questions/linux-newbie-8/default-stack-size-on-linux-glibc-pthreads-358438/
8，http:///questions/807506/threads-vs-processes-in-linux
9，http:///questions/2340093/how-is-stack-size-of-process-on-linux-related-to-pthread-fork-and-exec
10，http://xanpeng.github.com/linux/2012/05/15/more-linux-pthreads.html