進(jìn)程和線程這兩個話題是程序員繞不開的，操作系統(tǒng)提供的這兩個抽象概念實在是太重要了。
關(guān)于進(jìn)程和線程有一個極其經(jīng)典的問題，那就是進(jìn)程和線程的區(qū)別是什么？相信很多同學(xué)對答案似懂非懂。
關(guān)于這個問題有的同學(xué)可能已經(jīng)“背得”滾瓜爛熟了：“進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的單位，線程是調(diào)度的基本單位，線程之間共享進(jìn)程資源”。
可是你真的理解了上面最后一句話嗎？到底線程之間共享了哪些進(jìn)程資源，共享資源意味著什么？共享資源這種機(jī)制是如何實現(xiàn)的？對此如果你沒有答案的話，那么這意味著你幾乎很難寫出能正確工作的多線程程序，同時也意味著這篇文章就是為你準(zhǔn)備的。
查理芒格經(jīng)常說這樣一句話：“反過來想，總是反過來想”，如果你對線程之間共享了哪些進(jìn)程資源這個問題想不清楚的話那么也可以反過來思考，那就是有哪些資源是線程私有的。
線程運行的本質(zhì)其實就是函數(shù)的執(zhí)行，函數(shù)的執(zhí)行總會有一個源頭，這個源頭就是所謂的入口函數(shù)，CPU從入口函數(shù)開始執(zhí)行從而形成一個執(zhí)行流，只不過我們?nèi)藶榈慕o執(zhí)行流起一個名字，這個名字就叫線程。
既然線程運行的本質(zhì)就是函數(shù)的執(zhí)行，那么函數(shù)執(zhí)行都有哪些信息呢？
在《函數(shù)運行時在內(nèi)存中是什么樣子》這篇文章中我們說過，函數(shù)運行時的信息保存在棧幀中，棧幀中保存了函數(shù)的返回值、調(diào)用其它函數(shù)的參數(shù)、該函數(shù)使用的局部變量以及該函數(shù)使用的寄存器信息，如圖所示，假設(shè)函數(shù)A調(diào)用函數(shù)B：
此外，CPU執(zhí)行指令的信息保存在一個叫做程序計數(shù)器的寄存器中，通過這個寄存器我們就知道接下來要執(zhí)行哪一條指令。由于操作系統(tǒng)隨時可以暫停線程的運行，因此我們保存以及恢復(fù)程序計數(shù)器中的值就能知道線程是從哪里暫停的以及該從哪里繼續(xù)運行了。
由于線程運行的本質(zhì)就是函數(shù)運行，函數(shù)運行時信息是保存在棧幀中的，因此每個線程都有自己獨立的、私有的棧區(qū)。
同時函數(shù)運行時需要額外的寄存器來保存一些信息，像部分局部變量之類，這些寄存器也是線程私有的，一個線程不可能訪問到另一個線程的這類寄存器信息。
從上面的討論中我們知道，到目前為止，所屬線程的棧區(qū)、程序計數(shù)器、棧指針以及函數(shù)運行使用的寄存器是線程私有的。
以上這些信息有一個統(tǒng)一的名字，就是線程上下文，thread context。
我們也說過操作系統(tǒng)調(diào)度線程需要隨時中斷線程的運行并且需要線程被暫停后可以繼續(xù)運行，操作系統(tǒng)之所以能實現(xiàn)這一點，依靠的就是線程上下文信息。
現(xiàn)在你應(yīng)該知道哪些是線程私有的了吧。
這其實就是進(jìn)程地址空間的樣子，也就是說線程共享進(jìn)程地址空間中除線程上下文信息中的所有內(nèi)容，意思就是說線程可以直接讀取這些內(nèi)容。
進(jìn)程地址空間中的代碼區(qū)，這里保存的是什么呢？從名字中有的同學(xué)可能已經(jīng)猜到了，沒錯，這里保存的就是我們寫的代碼，更準(zhǔn)確的是編譯后的可執(zhí)行機(jī)器指令。
那么這些機(jī)器指令又是從哪里來的呢？答案是從可執(zhí)行文件中加載到內(nèi)存的，可執(zhí)行程序中的代碼區(qū)就是用來初始化進(jìn)程地址空間中的代碼區(qū)的。
線程之間共享代碼區(qū)，這就意味著程序中的任何一個函數(shù)都可以放到線程中去執(zhí)行，不存在某個函數(shù)只能被特定線程執(zhí)行的情況。
進(jìn)程地址空間中的數(shù)據(jù)區(qū)，這里存放的就是所謂的全局變量。
什么是全局變量？所謂全局變量就是那些你定義在函數(shù)之外的變量，在C語言中就像這樣：
其中字符c就是全局變量，存放在進(jìn)程地址空間中的數(shù)據(jù)區(qū)。
在程序員運行期間，也就是run time，數(shù)據(jù)區(qū)中的全局變量有且僅有一個實例，所有的線程都可以訪問到該全局變量。
值得注意的是，在C語言中還有一類特殊的“全局變量”，那就是用static關(guān)鍵詞修飾過的變量，就像這樣：
void func(){
static int a = 10;
}
注意到，
雖然變量a定義在函數(shù)內(nèi)部，但變量a依然具有全局變量的特性
，也就是說變量a放在了進(jìn)程地址空間的數(shù)據(jù)區(qū)域，
即使函數(shù)執(zhí)行完后該變量依然存在
，而普通的局部變量隨著函數(shù)調(diào)用結(jié)束和函數(shù)棧幀一起被回收掉了，但這里的變量a不會被回收，因為其被放到了數(shù)據(jù)區(qū)。
這樣的變量對每個線程來說也是可見的，也就是說每個線程都可以訪問到該變量。
堆區(qū)是程序員比較熟悉的，我們在C/C++中用malloc或者new出來的數(shù)據(jù)就存放在這個區(qū)域，很顯然，只要知道變量的地址，也就是指針，任何一個線程都可以訪問指針指向的數(shù)據(jù)，因此堆區(qū)也是線程共享的屬于進(jìn)程的資源。
唉，等等！剛不是說棧區(qū)是線程私有資源嗎，怎么這會兒又說起棧區(qū)了？
確實，從線程這個抽象的概念上來說，棧區(qū)是線程私有的，然而從實際的實現(xiàn)上看，棧區(qū)屬于線程私有這一規(guī)則并沒有嚴(yán)格遵守，這句話是什么意思？
通常來說，注意這里的用詞是通常，通常來說棧區(qū)是線程私有，既然有通常就有不通常的時候。
不通常是因為不像進(jìn)程地址空間之間的嚴(yán)格隔離，線程的棧區(qū)沒有嚴(yán)格的隔離機(jī)制來保護(hù)，因此如果一個線程能拿到來自另一個線程棧幀上的指針，那么該線程就可以改變另一個線程的棧區(qū)，也就是說這些線程可以任意修改本屬于另一個線程棧區(qū)中的變量。
這從某種程度上給了程序員極大的便利，但同時，這也會導(dǎo)致極其難以排查到的bug。
試想一下你的程序運行的好好的，結(jié)果某個時刻突然出問題，定位到出問題代碼行后根本就排查不到原因，你當(dāng)然是排查不到問題原因的，因為你的程序本來就沒有任何問題，是別人的問題導(dǎo)致你的函數(shù)棧幀數(shù)據(jù)被寫壞從而產(chǎn)生bug，這樣的問題通常很難排查到原因，需要對整體的項目代碼非常熟悉，常用的一些debug工具這時可能已經(jīng)沒有多大作用了。
說了這么多，那么同學(xué)可能會問，一個線程是怎樣修改本屬于其它線程的數(shù)據(jù)呢？
void thread(void* var) { int* p = (int*)var; *p = 2;}
int main() {????int?a?=?1; pthread_t tid; pthread_create(&tid, NULL, thread, (void*)&a); return 0;}
首先我們在主線程的棧區(qū)定義了一個局部變量，也就是 int a= 1這行代碼，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了，局部變量a屬于主線程私有數(shù)據(jù)，但是，接下來我們創(chuàng)建了另外一個線程。
在新創(chuàng)建的這個線程中，我們將變量a的地址以參數(shù)的形式傳給了新創(chuàng)建的線程，然后我來看一下thread函數(shù)。
在新創(chuàng)建的線程中，我們獲取到了變量a的指針，然后將其修改為了2，也就是這行代碼，我們在新創(chuàng)建的線程中修改了本屬于主線程的私有數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在你應(yīng)該看明白了吧，盡管棧區(qū)是線程的私有數(shù)據(jù)，但由于棧區(qū)沒有添加任何保護(hù)機(jī)制，一個線程的棧區(qū)對其它線程是可以見的，也就是說我們可以修改屬于任何一個線程的棧區(qū)。
就像我們上文說得到的，這給程序員帶來了極大便利的同時也帶來了無盡的麻煩，試想上面這段代碼，如果確實是項目需要那么這樣寫代碼無可厚非，但如果上述新創(chuàng)建線程是因bug修改了屬于其它線程的私有數(shù)據(jù)的話，那么產(chǎn)生問題就很難定位了，因為bug可能距離問題暴露的這行代碼已經(jīng)很遠(yuǎn)了，這樣的問題通常難以排查。
進(jìn)程地址空間中除了以上討論的這些實際上還有其它內(nèi)容，還有什么呢？
什么是可執(zhí)行程序呢？在Windows中就是我們熟悉的exe文件，在Linux世界中就是ELF文件，這些可以被操作系統(tǒng)直接運行的程序就是我們所說的可執(zhí)行程序。
有的同學(xué)可能會說，廢話，不就是編譯器生成的嗎？
假設(shè)我們的項目比較簡單只有幾個源碼文件，編譯器是怎么把這幾個源代碼文件轉(zhuǎn)換為最終的一個可執(zhí)行程序呢？
原來，編譯器在將可執(zhí)行程序翻譯成機(jī)器指令后，接下來還有一個重要的步驟，這就是鏈接，鏈接完成后生成的才是可執(zhí)行程序。
其中鏈接器可以有兩種鏈接方式，這就是靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接。
靜態(tài)鏈接的意思是說把所有的機(jī)器指令一股腦全部打包到可執(zhí)行程序中，動態(tài)鏈接的意思是我們不把動態(tài)鏈接的部分打包到可執(zhí)行程序，而是在可執(zhí)行程序運行起來后去內(nèi)存中找動態(tài)鏈接的那部分代碼，這就是所謂的靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接。
動態(tài)鏈接一個顯而易見的好處就是可執(zhí)行程序的大小會很小，就像我們在Windows下看一個exe文件可能很小，那么該exe很可能是動態(tài)鏈接的方式生成的。
而動態(tài)鏈接的部分生成的庫就是我們熟悉的動態(tài)鏈接庫，在Windows下是以DLL結(jié)尾的文件，在Linux下是以so結(jié)尾的文件。
說了這么多，這和線程共享資源有什么關(guān)系呢？
原來如果一個程序是動態(tài)鏈接生成的，那么其地址空間中有一部分包含的就是動態(tài)鏈接庫，否則程序就運行不起來了，這一部分的地址空間也是被所有線程所共享的。
也就是說進(jìn)程中的所有線程都可以使用動態(tài)鏈接庫中的代碼。
以上其實是關(guān)于鏈接這一主題的極簡介紹，關(guān)于鏈接這一話題的詳細(xì)討論可以參考《徹底理解鏈接器》系列文章。
最后，如果程序在運行過程中打開了一些文件，那么進(jìn)程地址空間中還保存有打開的文件信息，進(jìn)程打開的文件也可以被所有的線程使用，這也屬于線程間的共享資源。
實際上關(guān)于線程私有數(shù)據(jù)還有一項沒有詳細(xì)講解，因為再講下去本篇就撐爆了，而且本篇已經(jīng)講解的部分足夠用了，剩下的這一點僅僅作為補充，也就是選學(xué)部分，如果你對此不感興趣的話完全可以跳過，沒有問題。
關(guān)于線程私有數(shù)據(jù)還有一項技術(shù)，那就是線程局部存儲，Thread Local Storage，TLS。
其實從名字上也可以看出，所謂線程局部存儲，是指存放在該區(qū)域中的變量有兩個含義：
說了這么多還是沒懂有沒有？沒關(guān)系，接下來看完這兩段代碼還不懂你來打我。
我們先來看第一段代碼，不用擔(dān)心，這段代碼非常非常的簡單：
int a = 1;
void print_a() { cout<}
void run() { ++a; print_a();}
void main() { thread t1(run); t1.join();
thread t2(run); t2.join();}
怎么樣，這段代碼足夠簡單吧，上述代碼是用C++11寫的，我來講解下這段代碼是什么意思。
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首先我們創(chuàng)建了一個全局變量a，初始值為1
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其次我們創(chuàng)建了兩個線程，每個線程對變量a加1
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線程的join函數(shù)表示該線程運行完畢后才繼續(xù)運行接下來的代碼
全局變量a的初始值為1，第一個線程加1后a變?yōu)?，因此會打印2；第二個線程再次加1后a變?yōu)?，因此會打印3，讓我們來看一下運行結(jié)果：
看來我們分析的沒錯，全局變量在兩個線程分別加1后最終變?yōu)?。
接下來我們對變量a的定義稍作修改，其它代碼不做改動：
我們看到全局變量a前面加了一個__thread關(guān)鍵詞用來修飾，也就是說我們告訴編譯器把變量a放在線程局部存儲中，那這會對程序帶來哪些改變呢？
和你想的一樣嗎？有的同學(xué)可能會大吃一驚，為什么我們明明對變量a加了兩次，但第二次運行為什么還是打印2而不是3呢？
原來，這就是線程局部存儲的作用所在，線程t1對變量a的修改不會影響到線程t2，線程t1在將變量a加到1后變?yōu)?，但對于線程t2來說此時變量a依然是1，因此加1后依然是2。
因此，線程局部存儲可以讓你使用一個獨屬于線程的全局變量。也就是說，雖然該變量可以被所有線程訪問，但該變量在每個線程中都有一個副本，一個線程對改變量的修改不會影響到其它線程。
怎么樣，沒想到教科書上一句簡單的“線程共享進(jìn)程資源”背后竟然會有這么多的知識點吧，教科書上的知識看似容易，但，并不簡單。
希望本篇能對大家理解進(jìn)程、線程能有多幫助。
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