• 一、前言
• 二、glib 簡(jiǎn)介
• 三、線(xiàn)程庫(kù)的設(shè)計(jì)
• 四、總結(jié)

一、前言

這篇文章，按照下面這 2 張圖，來(lái)描述 glib 在 Linux 和 Windows 平臺(tái)上，是如何來(lái)進(jìn)行線(xiàn)程庫(kù)的設(shè)計(jì)的。

Linux 平臺(tái)：

Windows 平臺(tái)：

最近寫(xiě)了幾篇關(guān)于跨平臺(tái)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)思路，有些小伙伴在后臺(tái)留言詢(xún)問(wèn)關(guān)于一些通用的跨平臺(tái)庫(kù)，看來(lái)這方面的需求還是很多的。

所謂的跨平臺(tái)，無(wú)非就是希望用同一份應(yīng)用程序的代碼，可以編譯出在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的可執(zhí)行程序。

那么如何才能做到應(yīng)用程序代碼的平臺(tái)無(wú)關(guān)呢?很明顯需要中間的一個(gè)橋接層，把自己不想處理的、那些與平臺(tái)相關(guān)的、煩人的代碼丟給這個(gè)中間層去處理。

簡(jiǎn)單的說(shuō)：就是那些需要處理與平臺(tái)相關(guān)的臟活、累活，都由這個(gè)中間層幫你做好了，我們?cè)趯?xiě)應(yīng)用程序時(shí)，只需要關(guān)心自己的業(yè)務(wù)層事務(wù)就可以了。

如果沒(méi)有這個(gè)中間層的話(huà)，你的代碼中可能會(huì)充斥著大量的#if...#else代碼。

而 glib 就是這樣的一個(gè)中間層跨平臺(tái)庫(kù)，它提供了很多常用的封裝，線(xiàn)程庫(kù)只是其中的封裝之一，這篇文章我們主要來(lái)學(xué)習(xí)一下 glib 是如何來(lái)設(shè)計(jì)跨平臺(tái)的線(xiàn)程庫(kù)。

二、glib 簡(jiǎn)介

第一眼看上去的時(shí)候，很容易把 glib 與 glibc 混淆，它倆都是基于 GPL 的開(kāi)源軟件，但是卻屬于完全不同的概念。

glibc是GNU實(shí)現(xiàn)的一套標(biāo)準(zhǔn)C的函數(shù)庫(kù)，而glib是gtk+的一套函數(shù)庫(kù)。

那么 gtk+ 是什么呢?使用 Linux 的小伙伴一定知道 gnome 這個(gè)桌面環(huán)境，gnome 就是基于 gtk+ 開(kāi)發(fā)的一套桌面系統(tǒng)，而 glib 就是位于 gtk 后面的那位無(wú)名英雄。

glib可以在多個(gè)平臺(tái)下使用，比如Linux、Unix、Windows等。glib為許多標(biāo)準(zhǔn)的、常用的 C 語(yǔ)言結(jié)構(gòu)提供了相應(yīng)的替代物。

作為一名 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)者，有時(shí)候我們會(huì)非常的羨慕 C++ 開(kāi)發(fā)者，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)(SDL)有辣么多的工具可用：鏈表、向量、字符串處理。。。

可是 C 語(yǔ)言里呢?哪哪都要自己去實(shí)現(xiàn)這些輪子。

不過(guò)反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果我們?cè)谌粘５拈_(kāi)發(fā)過(guò)程中，把自己編寫(xiě)的、從別處借鑒的那些好用的輪子都積累起來(lái)，形成自己的“寶庫(kù)”，這也是一種經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)、也是一種競(jìng)爭(zhēng)力。

如今，在 github 上也有很多雷鋒實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的 C 庫(kù)：有專(zhuān)注于跨平臺(tái)的、有專(zhuān)注于某個(gè)領(lǐng)域的(比如：網(wǎng)絡(luò)處理、格式化文本解析)。

glib 在解決跨平臺(tái)的同時(shí)，也提供了其他很多有用的工具箱，例如：事件循環(huán)、線(xiàn)程池、同步隊(duì)列、內(nèi)存管理等等。

既然它提供的功能多，那么必然會(huì)導(dǎo)致體積比較大。這也是很多開(kāi)發(fā)者面對(duì)不同的選擇時(shí)，放棄 glib 的原因。

不管如何，既然 glib 這么厲害，我們可以來(lái)學(xué)習(xí)它的設(shè)計(jì)思想，這可是比盲目的敲幾千行代碼更能提升一個(gè)人的元技能!

三、線(xiàn)程庫(kù)的設(shè)計(jì)

1. 線(xiàn)程相關(guān)的文件

在 Linux 系統(tǒng)中，創(chuàng)建線(xiàn)程一般都是通過(guò) POSIX 接口(可移植操作系統(tǒng)接口)，例如：創(chuàng)建線(xiàn)程 API 函數(shù)是 pthread_create(...)。

在 Windows 系統(tǒng)中，創(chuàng)建線(xiàn)程有好幾種方式：

• CreateThread()
• _beginthread()

既然 glib 庫(kù)時(shí)專(zhuān)門(mén)用來(lái)解決跨平臺(tái)問(wèn)題的，那么它向上面對(duì)應(yīng)用層程序時(shí)，一定是提供一個(gè)統(tǒng)一的接口;而向下面對(duì)不同的操作系統(tǒng)時(shí)，調(diào)用不同系統(tǒng)中的線(xiàn)程函數(shù)。

glib 把這些線(xiàn)程相關(guān)的操作分別封裝在了平臺(tái)相關(guān)的代碼中，具體來(lái)說(shuō)如下圖：

• Linux 系統(tǒng)：gthread.c, gthread_posix.c 參與編譯，生成 glib 庫(kù);
• Windows 系統(tǒng)：gthread.c, gthread_win32.c 參與編譯，生成 glib 庫(kù);

關(guān)于這種跨平臺(tái)的文件構(gòu)建方式(也就是編譯啦)，建議您看一下這篇小短文：跨平臺(tái)代碼的3種組織方式

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

你一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)公式：程序 = 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) + 算法，對(duì)于一個(gè) C 語(yǔ)言項(xiàng)目，明白了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)于理解整個(gè)程序的思路是非常重要的，在 glib 中也是如此。

glib 在設(shè)計(jì)線(xiàn)程庫(kù)的時(shí)候，分成 2 個(gè)層次：平臺(tái)無(wú)關(guān)部分，平臺(tái)相關(guān)部分。

平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有(一些不影響理解的代碼就刪掉了)：

struct  _GThread 
{ 
  GThreadFunc func; 
  gpointer data; 
  gboolean joinable; 
}; 
 
typedef struct _GThread GThread; 
struct  _GRealThread 
{ 
  GThread thread; 
 
  gint ref_count; 
  gchar *name; 
}; 
 
typedef struct _GRealThread GRealThread; 

平臺(tái)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有:

Linux 系統(tǒng)：

typedef struct 
{ 
  GRealThread thread; 
 
  pthread_t system_thread; 
  gboolean  joined; 
  GMutex    lock; 
 
  void *(*proxy) (void *); 
  const GThreadSchedulerSettings *scheduler_settings; 
} GThreadPosix; 

Windows 系統(tǒng)：

typedef struct 
{ 
  GRealThread thread; 
 
  GThreadFunc proxy; 
  HANDLE      handle; 
} GThreadWin32; 

仔細(xì)看一下每個(gè)結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員變量，是不是發(fā)現(xiàn)點(diǎn)什么?

從層次關(guān)系上看，這幾個(gè)結(jié)構(gòu)體的關(guān)系為：

Linux 平臺(tái):

Windows 平臺(tái)：

結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存模型中意味著什么?占據(jù)一塊內(nèi)存空間。

而這幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都把"子"結(jié)構(gòu)體，放在"父"結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)位置，就可以方便的進(jìn)行強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換。

在以上內(nèi)存模型中，GRealThread 結(jié)構(gòu)體的第一部分是 GThread，那么就完全可以把 GRealThread 所處內(nèi)存的開(kāi)始部分，當(dāng)做一個(gè) GThread 結(jié)構(gòu)體變量來(lái)操作。

用 C++ 中面向?qū)ο蟮男g(shù)語(yǔ)來(lái)描述更準(zhǔn)確：基類(lèi)指針可以指向派生類(lèi)對(duì)象。

在下面的代碼中，可以看到這樣的操作。

3. 線(xiàn)程的創(chuàng)建

(1) 函數(shù)原型

平臺(tái)無(wú)關(guān)函數(shù)(gthread.c 中實(shí)現(xiàn))

GThread *g_thread_new (const gchar *name, 
              GThreadFunc  func, 
              gpointer     data); 

GThread * 
g_thread_new_internal (const gchar *name, 
                       GThreadFunc proxy, 
                       GThreadFunc func, 
                       gpointer data, 
                       gsize stack_size, 
                       const GThreadSchedulerSettings *scheduler_settings, 
                       GError **error); 

平臺(tái)相關(guān)函數(shù)(gthread_posix.c or ghread_win32.c 中實(shí)現(xiàn))

GRealThread * 
g_system_thread_new (GThreadFunc proxy, 
                     gulong stack_size, 
                     const GThreadSchedulerSettings *scheduler_settings, 
                     const char *name, 
                     GThreadFunc func, 
                     gpointer data, 
                     GError **error); 

(2) Linux 平臺(tái)函數(shù)調(diào)用鏈

先來(lái)看一下 Linux 平臺(tái)上的函數(shù)調(diào)用關(guān)系：

如果你的手邊有源代碼，請(qǐng)關(guān)注 g_thread_new() 這個(gè)函數(shù)中的 func 和 data 這2個(gè)參數(shù)。

func 是最開(kāi)始用戶(hù)層傳入的線(xiàn)程執(zhí)行函數(shù)，也就是用戶(hù)創(chuàng)建這個(gè)線(xiàn)程，最終想執(zhí)行的函數(shù)。data 是 func 函數(shù)所接收的函數(shù)參數(shù)。

如果直接面對(duì) Linux 操作系統(tǒng)編程，在調(diào)用 POSIX 接口函數(shù) pthread_create() 時(shí)，一般是直接傳入用戶(hù)想要執(zhí)行的函數(shù)以及參數(shù)。

但是 glib 層并沒(méi)有直接把用戶(hù)層的函數(shù)直接交給 Linux 操作系統(tǒng)，而是自己提供了 2 個(gè)線(xiàn)程代理函數(shù)，在調(diào)用 pthread_create() 時(shí)，根據(jù)不同的情況，把這2個(gè)代理函數(shù)之一傳遞給操作系統(tǒng)：

第一個(gè)線(xiàn)程代理函數(shù)：g_thread_proxy();

第二個(gè)線(xiàn)程代理函數(shù)：linux_pthread_proxy();

至于傳遞哪一個(gè)代理函數(shù)，取決于宏定義 HAVE_SYS_SCHED_GETATTR 是否有效。

下面是 g_system_thread_new() 函數(shù)簡(jiǎn)化后的代碼：

g_system_thread_new (proxy, stack_size, scheduler_settings, 
                                          name, func, data, error); 
    GThreadPosix *thread; 
    GRealThread *base_thread;   
     
    // 填充 base_thread 字段，重點(diǎn)關(guān)注下面2句 
    base_thread->thread.func = func; 
    base_thread->thread.data = data; 
 
    thread->scheduler_settings = scheduler_settings; 
    thread->proxy = proxy;    
     
    #if defined(HAVE_SYS_SCHED_GETATTR) 
      ret = pthread_create (&thread->system_thread, &attr, linux_pthread_proxy, thread); 
    #else 
      ret = pthread_create (&thread->system_thread, &attr, (void* (*)(void*))proxy, thread); 
    #endif 

4. 線(xiàn)程的執(zhí)行

我們就假設(shè)這個(gè)宏定義 HAVE_SYS_SCHED_GETATTR 被定義了、是有效的，Linux 系統(tǒng)中的 pthread_create() 接收到 linux_pthread_proxy() 函數(shù)。

當(dāng)這個(gè)新建的線(xiàn)程被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，linux_pthread_proxy() 函數(shù)被調(diào)用執(zhí)行：

簡(jiǎn)化后的 linux_pthread_proxy() 函數(shù)：

static void *
linux_pthread_proxy (void *data) 
{ 
  // data 就是 g_system_thread_new 中 GThreadPosix 類(lèi)型指針，這是平臺(tái)相關(guān)的。 
  GThreadPosix *thread = data; 
  
  if (thread->scheduler_settings) 
   { 
      // 設(shè)置線(xiàn)程屬性 
      tid = (pid_t) syscall (SYS_gettid); 
      res = syscall (SYS_sched_setattr, tid, thread->scheduler_settings->attr, flags); 
   } 
 
  // 調(diào)用 glib 中的線(xiàn)程代理函數(shù)，其實(shí)就是 g_thread_proxy()  
  return thread->proxy (data); 
} 

這個(gè)函數(shù)關(guān)注 3 點(diǎn)：

1. data 參數(shù): 就是 g_system_thread_new 函數(shù)中的GThreadPosix類(lèi)型指針，這是平臺(tái)相關(guān)的。
2. 中間部分是設(shè)置線(xiàn)程屬性;
3. 最后的 return 語(yǔ)句，調(diào)用了 glib 中第一個(gè)線(xiàn)程代理函數(shù) g_thread_proxy。

繼續(xù)貼一下這個(gè)函數(shù)的簡(jiǎn)化后代碼：

gpointer 
g_thread_proxy (gpointer data) 
{ 
  // data 就是 g_system_thread_new 中 GThreadPosix 類(lèi)型指針，這是平臺(tái)相關(guān)的。 
  // 這里把它強(qiáng)轉(zhuǎn)成平臺(tái)無(wú)關(guān)的 GRealThread 類(lèi)型。 
  GRealThread* thread = data; 
 
  if (thread->name) 
  { 
      // 設(shè)置線(xiàn)程屬性：名稱(chēng) 
      g_system_thread_set_name (thread->name); 
  } 
 
  // 調(diào)用應(yīng)用層的線(xiàn)程入口函數(shù) 
  thread->retval = thread->thread.func (thread->thread.data); 
 
  return NULL; 
} 

這個(gè)函數(shù)也只要關(guān)注 3 點(diǎn)：

1. data 參數(shù): linux_pthread_proxy 函數(shù)傳過(guò)來(lái)的是 GThreadPosix 類(lèi)型指針，但是這里直接賦值給了 GRealThread 類(lèi)型的指針，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)存模型是包含的關(guān)系;
2. 中間部分是設(shè)置線(xiàn)程名稱(chēng);
3. 最后的 thread->thread.func (thread->thread.data) 語(yǔ)句，調(diào)用了用戶(hù)最開(kāi)始傳入的函數(shù)并傳遞用戶(hù)的 data 參數(shù)。

至此，用戶(hù)層定義的線(xiàn)程函數(shù) user_thread_func(data) 就得以執(zhí)行了。

那么，如果 glib 層沒(méi)有定義宏 HAVE_SYS_SCHED_GETATTR，那么 Linux 系統(tǒng)中 pthread_create() 接收到的就是 glib 中的第一個(gè)線(xiàn)程代理函數(shù) g_thread_proxy。

線(xiàn)程執(zhí)行的調(diào)用關(guān)系為：

5. Windows平臺(tái)函數(shù)調(diào)用鏈

先來(lái)看一下 Windows 平臺(tái)上創(chuàng)建線(xiàn)程時(shí)函數(shù)調(diào)用關(guān)系：

在 Windows 平臺(tái)上，glib 的線(xiàn)程代理函數(shù)是 g_thread_win32_proxy()。

當(dāng)這個(gè)新建的線(xiàn)程被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，函數(shù)調(diào)用關(guān)系是：

四、總結(jié)

實(shí)現(xiàn)這樣的線(xiàn)程函數(shù)代理設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是利用了 C 語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型中，把“父”結(jié)構(gòu)體類(lèi)型變量強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成“子”結(jié)構(gòu)體類(lèi)型變量來(lái)使用，因?yàn)樗鼈z在內(nèi)存模型中，剛開(kāi)始部分的空間中，內(nèi)容是完全一樣的。

最后，我把文中的這些圖合并起來(lái)，繪制成下面這 2 張圖，完整的體現(xiàn)了 glib 中的線(xiàn)程設(shè)計(jì)思路：

Linux 平臺(tái)：

Windows 平臺(tái)：

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