向高手学习：Glib如何来封装跨平台的线程库

• 一、前言
• 二、glib 简介
• 三、线程库的设计
• 四、总结

一、前言

这篇文章，按照下面这 2 张图，来描述 glib 在 Linux 和 Windows 平台上，是如何来进行线程库的设计的。

Linux 平台：

Windows 平台：

最近写了几篇关于跨平台的应用程序设计思路，有些小伙伴在后台留言询问关于一些通用的跨平台库，看来这方面的需求还是很多的。

所谓的跨平台，无非就是希望用同一份应用程序的代码，可以编译出在多个平台上运行的可执行程序。

那么如何才能做到应用程序代码的平台无关呢?很明显需要中间的一个桥接层，把自己不想处理的、那些与平台相关的、烦人的代码丢给这个中间层去处理。

简单的说：就是那些需要处理与平台相关的脏活、累活，都由这个中间层帮你做好了，我们在写应用程序时，只需要关心自己的业务层事务就可以了。

如果没有这个中间层的话，你的代码中可能会充斥着大量的#if...#else代码。

而 glib 就是这样的一个中间层跨平台库，它提供了很多常用的封装，线程库只是其中的封装之一，这篇文章我们主要来学习一下 glib 是如何来设计跨平台的线程库。

二、glib 简介

第一眼看上去的时候，很容易把 glib 与 glibc 混淆，它俩都是基于 GPL 的开源软件，但是却属于完全不同的概念。

glibc是GNU实现的一套标准C的函数库，而glib是gtk+的一套函数库。

那么 gtk+ 是什么呢?使用 Linux 的小伙伴一定知道 gnome 这个桌面环境，gnome 就是基于 gtk+ 开发的一套桌面系统，而 glib 就是位于 gtk 后面的那位无名英雄。

glib可以在多个平台下使用，比如Linux、Unix、Windows等。glib为许多标准的、常用的 C 语言结构提供了相应的替代物。

作为一名 C 语言开发者，有时候我们会非常的羡慕 C++ 开发者，标准库(SDL)有辣么多的工具可用：链表、向量、字符串处理。。。

可是 C 语言里呢?哪哪都要自己去实现这些轮子。

不过反过来说，如果我们在日常的开发过程中，把自己编写的、从别处借鉴的那些好用的轮子都积累起来，形成自己的“宝库”，这也是一种经验的体现、也是一种竞争力。

如今，在 github 上也有很多雷锋实现了高质量的 C 库：有专注于跨平台的、有专注于某个领域的(比如：网络处理、格式化文本解析)。

glib 在解决跨平台的同时，也提供了其他很多有用的工具箱，例如：事件循环、线程池、同步队列、内存管理等等。

既然它提供的功能多，那么必然会导致体积比较大。这也是很多开发者面对不同的选择时，放弃 glib 的原因。

不管如何，既然 glib 这么厉害，我们可以来学习它的设计思想，这可是比盲目的敲几千行代码更能提升一个人的元技能!

三、线程库的设计

1. 线程相关的文件

在 Linux 系统中，创建线程一般都是通过 POSIX 接口(可移植操作系统接口)，例如：创建线程 API 函数是 pthread_create(...)。

在 Windows 系统中，创建线程有好几种方式：

• CreateThread()
• _beginthread()

既然 glib 库时专门用来解决跨平台问题的，那么它向上面对应用层程序时，一定是提供一个统一的接口;而向下面对不同的操作系统时，调用不同系统中的线程函数。

glib 把这些线程相关的操作分别封装在了平台相关的代码中，具体来说如下图：

• Linux 系统：gthread.c, gthread_posix.c 参与编译，生成 glib 库;
• Windows 系统：gthread.c, gthread_win32.c 参与编译，生成 glib 库;

关于这种跨平台的文件构建方式(也就是编译啦)，建议您看一下这篇小短文：跨平台代码的3种组织方式

2. 数据结构

你一定听说过这个公式：程序 = 数据结构 + 算法，对于一个 C 语言项目，明白了数据结构的设计，对于理解整个程序的思路是非常重要的，在 glib 中也是如此。

glib 在设计线程库的时候，分成 2 个层次：平台无关部分，平台相关部分。

平台无关的数据结构有(一些不影响理解的代码就删掉了)：

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; 

平台相关的数据结构有:

Linux 系统：

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

Windows 系统：

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

仔细看一下每个结构体的第一个成员变量，是不是发现点什么?

从层次关系上看，这几个结构体的关系为：

Linux 平台:

Windows 平台：

结构体在内存模型中意味着什么?占据一块内存空间。

而这几个数据结构都把"子"结构体，放在"父"结构体的第一个位置，就可以方便的进行强制类型转换。

在以上内存模型中，GRealThread 结构体的第一部分是 GThread，那么就完全可以把 GRealThread 所处内存的开始部分，当做一个 GThread 结构体变量来操作。

用 C++ 中面向对象的术语来描述更准确：基类指针可以指向派生类对象。

在下面的代码中，可以看到这样的操作。

3. 线程的创建

(1) 函数原型

平台无关函数(gthread.c 中实现)

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); 

平台相关函数(gthread_posix.c or ghread_win32.c 中实现)

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 平台函数调用链

先来看一下 Linux 平台上的函数调用关系：

如果你的手边有源代码，请关注 g_thread_new() 这个函数中的 func 和 data 这2个参数。

func 是最开始用户层传入的线程执行函数，也就是用户创建这个线程，最终想执行的函数。data 是 func 函数所接收的函数参数。

如果直接面对 Linux 操作系统编程，在调用 POSIX 接口函数 pthread_create() 时，一般是直接传入用户想要执行的函数以及参数。

但是 glib 层并没有直接把用户层的函数直接交给 Linux 操作系统，而是自己提供了 2 个线程代理函数，在调用 pthread_create() 时，根据不同的情况，把这2个代理函数之一传递给操作系统：

第一个线程代理函数：g_thread_proxy();

第二个线程代理函数：linux_pthread_proxy();

至于传递哪一个代理函数，取决于宏定义 HAVE_SYS_SCHED_GETATTR 是否有效。

下面是 g_system_thread_new() 函数简化后的代码：

g_system_thread_new (proxy, stack_size, scheduler_settings, 
                                          name, func, data, error); 
    GThreadPosix *thread; 
    GRealThread *base_thread;   
     
    // 填充 base_thread 字段，重点关注下面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. 线程的执行

我们就假设这个宏定义 HAVE_SYS_SCHED_GETATTR 被定义了、是有效的，Linux 系统中的 pthread_create() 接收到 linux_pthread_proxy() 函数。

当这个新建的线程被调度执行时，linux_pthread_proxy() 函数被调用执行：

简化后的 linux_pthread_proxy() 函数：

static void *
linux_pthread_proxy (void *data) 
{ 
  // data 就是 g_system_thread_new 中 GThreadPosix 类型指针，这是平台相关的。 
  GThreadPosix *thread = data; 
  
  if (thread->scheduler_settings) 
   { 
      // 设置线程属性 
      tid = (pid_t) syscall (SYS_gettid); 
      res = syscall (SYS_sched_setattr, tid, thread->scheduler_settings->attr, flags); 
   } 
 
  // 调用 glib 中的线程代理函数，其实就是 g_thread_proxy()  
  return thread->proxy (data); 
} 

这个函数关注 3 点：

1. data 参数: 就是 g_system_thread_new 函数中的GThreadPosix类型指针，这是平台相关的。
2. 中间部分是设置线程属性;
3. 最后的 return 语句，调用了 glib 中第一个线程代理函数 g_thread_proxy。

继续贴一下这个函数的简化后代码：

gpointer 
g_thread_proxy (gpointer data) 
{ 
  // data 就是 g_system_thread_new 中 GThreadPosix 类型指针，这是平台相关的。 
  // 这里把它强转成平台无关的 GRealThread 类型。 
  GRealThread* thread = data; 
 
  if (thread->name) 
  { 
      // 设置线程属性：名称 
      g_system_thread_set_name (thread->name); 
  } 
 
  // 调用应用层的线程入口函数 
  thread->retval = thread->thread.func (thread->thread.data); 
 
  return NULL; 
} 

这个函数也只要关注 3 点：

1. data 参数: linux_pthread_proxy 函数传过来的是 GThreadPosix 类型指针，但是这里直接赋值给了 GRealThread 类型的指针，因为它们的内存模型是包含的关系;
2. 中间部分是设置线程名称;
3. 最后的 thread->thread.func (thread->thread.data) 语句，调用了用户最开始传入的函数并传递用户的 data 参数。

至此，用户层定义的线程函数 user_thread_func(data) 就得以执行了。

那么，如果 glib 层没有定义宏 HAVE_SYS_SCHED_GETATTR，那么 Linux 系统中 pthread_create() 接收到的就是 glib 中的第一个线程代理函数 g_thread_proxy。

线程执行的调用关系为：

5. Windows平台函数调用链

先来看一下 Windows 平台上创建线程时函数调用关系：

在 Windows 平台上，glib 的线程代理函数是 g_thread_win32_proxy()。

当这个新建的线程被调度执行时，函数调用关系是：

四、总结

实现这样的线程函数代理设计，关键是利用了 C 语言中的结构体类型中，把“父”结构体类型变量强制转换成“子”结构体类型变量来使用，因为它俩在内存模型中，刚开始部分的空间中，内容是完全一样的。

最后，我把文中的这些图合并起来，绘制成下面这 2 张图，完整的体现了 glib 中的线程设计思路：

Linux 平台：

Windows 平台：

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