如何在不使用POSIX库<pthread.h>的情况下在C语言中创建线程

Question

我希望在C语言中实现多线程，但不使用任何POSIX库。

注：请勿使用fork()或vfork()。

- Rahul

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你必须使用一些库来完成这个任务。线程是操作系统的构建块，你不能在程序内部自己创建它们。但你可以使用像glibc这样的东西，它提供了用作单独线程执行某些任务的API。 - fkl

你需要使用一些库来为你创建线程。pthread的替代方案可以在这里找到：http://www.gnu.org/software/pth/related.html - CCoder

你是否有不想使用POSIX线程的真正原因？除非你有有效的理由，否则你应该使用它们并停止浪费时间（你自己和我们的时间）。 - paxdiablo

@paxdiablo我在技术比赛的最后一轮被问到了这个问题，这是分数最高的问题。如果我知道答案，我会赢得那个问题的。我在现实世界中使用POSIX线程。 - Rahul

这就是为什么删除像“面试问题”这样的标签是非常糟糕的原因。 - UmNyobe

Answer 1

在Linux中，线程本质上是与其父进程共享内存和资源的进程。Linux内核不区分进程和线程，换句话说，Linux中没有像其他操作系统中那样轻量级进程的概念。Linux中的线程被实现为标准进程，因此可以仅使用clone()创建线程，通常可通过以下方式调用fork()：

clone(SIGCHLD, 0);

这将仅克隆信号处理程序，但是使用适当的标志，您可以创建一个线程：

clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);

这与先前的调用相同，唯一不同之处在于两个进程共享地址空间、文件系统资源、文件描述符和信号处理程序。

另一种方法是使用用户级线程（也称为纤程），它们是在用户级别实现的执行线程，这意味着操作系统不知道这些线程，调度或上下文切换必须在用户级别进行。大多数用户级调度程序都是协作式调度程序，但也可以使用简单的轮询调度实现抢占式调度程序。

查看clone(2)手册以获取详细信息，如果您需要更多信息，我建议阅读罗伯特·洛夫（Robert Love）的Linux Kernel Development第三版（与作者无关），其中有一个内部查看链接，您可以在线阅读部分内容。至于用户级线程，我编写了一个名为libutask的最小包，实现了协作和抢占式调度程序，如果您愿意，可以检查源代码。

注1：我没有提到UNIX，据我所知，这是Linux特定的实现。

注2：使用clone创建自己的线程不是真正的解决方案，请阅读评论以了解可能需要处理的一些问题，它只是回答了一个问题，即是否可以在不使用pthread的情况下创建线程，在这种情况下答案是肯定的。

- iabdalkader

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你可能需要为克隆进程准备一个堆栈。哦，而且不要在子线程中使用任何库函数，因为你的TLS设置会被搞乱。 - bdonlan

创建自己的线程使用clone将不起作用，除非您避免使用任何（直接或间接）调用标准库。这是因为即使像读/写errno这样基本的事情也会访问相对于线程指针/线程描述符结构的线程本地存储，如果您自己调用clone，则这些内容将不会被初始化或指向任何有效内容。 - R.. GitHub STOP HELPING ICE

Answer 2

参见：

• setjmp，
• longjmp，
• sigaltstack，
• sigaltstack

适用于类UNIX系统。

还可以参见：

• getcontext和setcontext，
• 以及更一般的ucontext

适用于BSD和现代UNIX。

这个页面提供了使用这些基元和更多内容的许多基本实现示例。

您可以使用原子指令来实现锁定原语（互斥锁，信号量）。

我还建议查看用户空间线程库的实际实现，以获取一些提示。请参见此页面，其中列出了Linux的实现列表。

最后，您可能需要获取有关协程和也许trampolines的一些信息，尽管后者与之不太相关。

- didierc

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使用longjmp()手动实现线程是一个非常糟糕的建议。 - user529758

@H2CO3 我并不是说这很容易 :) - didierc

@H2CO3，但它是可行的，可以看一下我提供的链接。 - didierc

我并不是在谈论它是否容易或困难（如果你足够熟练，一切都很容易），我是说这是一种不好的做法，而且不应该这样做。 - user529758

是的，我提供的链接页面中解决了这个问题，并且他们建议使用 sigaltstack 和 raise 来缓解这个问题。显然，GNU Pth 使用了这种技术。既然你提到了这个问题，我会在我的答案中添加必要的系统调用。谢谢！ - didierc

Answer 3

你还可以查看C标准库中的新<threads.h>头文件。（C11）

它包括你需要的内容，如int thrd_create(thrd_t *thr, thrd_start_t func, void *arg);，以及互斥函数和条件变量。

- Wiz

Answer 4

在几乎任何操作系统上，使用纯 c 语言可以构建至少一个协作式微内核。基本上只需要克隆栈帧（并相应地调整一些指针，特别是从函数返回到其他线程当前返回地址的返回地址）。还需要一些实用程序函数，例如“上下文切换”堆栈到堆和反向操作。

如果允许定时器中断带有回调，则可以执行抢占式微内核。

至少 Dr Dobbs 和 IOCCC 提出了这些方案。

- Aki Suihkonen

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我的意思是，你必须使用一些特定于操作系统的指令，例如testandlock等来实现锁。像Peitersen这样的算法锁在理论上很不错，但在实践中从未像它所声称的那么高效。虽然我不是内核专家，但我对同步和其实现的细节有所了解。 - fkl

请查看我的答案以了解更多详情 :) - didierc