linux线程与进程

简要

在Linux系统中，进程（Process）和线程（Thread）是操作系统中两个重要的概念，它们都是用于执行程序的执行单元，但有一些关键的区别。

在Linux系统中，可以使用fork系统调用创建新进程，而使用pthread_create函数创建新线程。在实际应用中，选择使用进程还是线程取决于应用程序的需求和性能要求。

进程（Process）：

• 独立性： 进程是独立的执行单位，拥有自己的地址空间和系统资源，不同进程之间的数据通常需要通过进程间通信（IPC）来共享。
• 资源分配： 每个进程都有独立的系统资源，包括内存空间、文件句柄、设备等。
• 稳定性： 进程之间相互独立，一个进程的崩溃通常不会影响其他进程。
• 创建开销： 创建新进程的开销相对较大，因为需要为其分配独立的内存空间和系统资源。

组成：

进程是计算机系统中正在运行的程序的实例。以下是进程的主要组成部分：

1. 程序代码（Code Section）：进程的执行指令，它是由一系列二进制指令组成的。这些指令告诉计算机系统如何执行进程。
2. 数据区域（Data Section）包含了进程运行时使用的全局变量和静态变量。这些数据在程序的整个生命周期中保持不变，直到进程结束。
3. 堆区域（Heap）：是动态分配内存的区域，用于存储程序运行时动态分配的数据。在C和C++等编程语言中，使用malloc、free等函数在堆中分配和释放内存。
4. 栈区域（Stack）：用于存储函数调用和局部变量。每个线程都有自己的栈，栈中的数据是临时的，随着函数的调用和返回而动态变化。栈的大小通常是有限的。
5. 进程控制块（Process Control Block，PCB）：包含了进程的重要信息，它是操作系统用于管理进程的数据结构。PCB 中包含了进程的标识符、状态、程序计数器、寄存器的值、内存管理信息、文件描述符等。
6. 打开文件表（Open File Table）：进程打开的文件列表，其中包含了文件描述符以及文件的状态信息。
7. 进程状态（Process State）：当前所处的状态，如运行、就绪、阻塞等。
8. 进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）机制：进程可能需要与其他进程进行通信，为此进程可能会使用各种 IPC 机制，如消息队列、信号量、共享内存等。

状态：

• 运行态（running）：进程占有 CPU 正在运行。
• 就绪态（ready）：进程具备运行条件，等待系统分配 CPU 以便运行。
• 阻塞态 / 等待态（wait）：进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。
  

数据结构task_struct

1. 在Linux中，进程的内部结构由Linux内核通过一个名为task_struct的数据结构来管理。该结构表示为称为任务列表的动态列表，保存有关系统中所有正在运行的进程的信息。task_struct包括对进程的属性和状态进行分类的各种字段，例如调度参数、内存映像、信号、机器寄存器、系统调用状态、文件描述符和内核堆栈。
2. 当一个新进程创建时，Linux内核会在内核内存空间中为新的task_struct分配内存。这个新创建的task_struct代表进程并包含管理和控制其执行的必要信息。
3. 需要注意的是，作为 Linux 系统用户，我们并不直接创建或管理进程的内部数据结构。然而，了解task_struct的概念及其在表示Linux 进程中的作用可以深入了解Linux 操作系统中进程管理的底层机制。

Linux 进程的内部结构由几个有助于其功能和行为的组件组成。这些组件包括：

1. 进程 ID (PID)
2. 内存空间内存空间分为不同的段。这些段包括代码段（文本）、数据段和堆栈段。代码段包含程序的可执行指令。数据段存储全局变量和静态变量。堆栈段保存函数调用堆栈和局部变量。
3. 进程状态
4. 进程优先级：为每个进程分配一个优先级值，该值决定其相对重要性和调度偏好。与低优先级进程相比，高优先级进程会获得更多的 CPU 时间。执行top命令可以查看进程的优先级。
5. 文件描述符：进程可以通过文件描述符访问文件和资源。文件描述符是表示打开文件或通信端点的整数。它有助于读取或写入文件、网络套接字和其他 I/O 操作。

创建流程

• Fork：进程创建通常以 fork 系统调用开始。fork 系统调用通过复制现有进程（父进程）来创建新进程。新进程称为子进程。
• Copy-on-Write：fork后，子进程通过一种称为copy-on-write的机制与父进程共享相同的内存空间。这意味着最初，两个进程共享相同的内存页。如果任一进程修改共享页面，则会为修改进程创建该页面的单独副本。
• Exec：一旦 fork 完成，子进程就可以使用 exec 系统调用执行不同的程序。exec系统调用用指定程序的代码和数据替换子进程的内存空间。
• PID分配：内核为每个进程分配一个唯一的进程标识符（PID）。PID用于识别和管理进程。
• 父子关系：父进程维护对其子进程的引用，允许子进程监视和管理其执行。父级可以使用 wait 系统调用等待子级完成其执行。
• 进程终止：进程可以自愿终止或由于外部事件而终止。当进程完成执行或遇到错误时，可以使用 exit 系统调用退出。然后内核释放分配的资源并通知父进程。
  

知识点补充

在 Linux 中，进程以称为进程树的分层结构进行组织。进程树表示父进程和子进程之间的关系，形成树状结构。以下是进程树的主要特征：

• 根进程：进程树以根进程开始，该进程通常是系统引导期间创建的第一个进程，称为init或systemd。
• 父子关系：除根进程外，每个进程都有一个创建它的父进程。发起创建新进程的进程称为父进程，而新创建的进程称为子进程。
• 进程组：具有共同祖先（称为会话领导者）的进程形成进程组。进程组对于管理相关进程集并集体控制它们的行为非常有用。
• 信号：进程可以向进程树中的其他进程发送信号。信号用于进程间通信，允许进程通知、中断或终止其他进程。
• 终端进程：在终端会话中，进程组领导者称为终端进程。它管理关联终端的输入和输出，允许与用户进行交互式通信。

进程树反映了进程创建的层次结构，提供了Linux系统中组织和管理进程的方式。

线程（Thread）：

• 共享资源： 线程是进程的一部分，它们共享相同的地址空间和系统资源，可以更方便地进行数据共享。
• 轻量级： 相对于进程，线程是轻量级的执行单元，创建和销毁的开销较小。
• 相互影响： 线程之间的数据共享相对容易，但也需要注意同步和互斥来避免数据竞争。
• 稳定性： 一个线程的崩溃可能会影响整个进程，因为它们共享相同的地址空间和资源。
• 线程是一个轻量级进程，也称为 LWP，通过clone创建轻量级进程（LWP）或内核级线程，以实现用户级别的线程。

组成：

线程的内部结构由三个主要组成部分组成：

1. 堆栈：堆栈为线程执行分配的内存区域。它保存线程的局部变量、函数调用和返回地址。每个线程都有自己的堆栈，允许独立执行。
2. 寄存器集：寄存器集包含线程的执行上下文，包括CPU寄存器的值。这些寄存器存储重要信息，例如程序计数器（程序计数器指示了线程当前正在执行的指令的位置）、堆栈指针和其他处理器特定的寄存器。
3. 线程特定数据:允许每个线程保持其唯一状态。它可以包含特定于线程的变量，例如线程 ID 或特定于线程的存储。

进程与线程的比较：

• 通信方式： 进程之间通信的开销较大，而线程之间可以更方便地共享数据。
• 创建销毁开销： 线程的创建和销毁开销较小，而进程的创建和销毁开销相对较大。
• 并行性： 多个线程可以并行执行，而进程通常需要更复杂的并发控制机制。
• 资源需求： 进程拥有独立的资源，而线程共享相同的资源。

疑问解答

在Linux中，线程相互共享的有哪些具体的资源？
在Linux中，线程是轻量级的执行单元，它们在同一个进程内运行，并且共享相同的资源。以下是Linux中线程相互共享的主要资源：

• 地址空间（Address Space）：所有线程在同一个进程中共享相同的地址空间。这包括代码段、数据段、堆和栈等。因此，一个线程对地址空间的修改会影响其他线程。
• 文件描述符（File Descriptors）： 所有线程共享相同的文件描述符表。当一个线程打开或关闭文件时，这些更改对其他线程也是可见的。
• 信号处理器（Signal Handlers）： 信号处理器是在进程级别注册的，因此所有线程都共享相同的信号处理器。当进程接收到信号时，所有线程都会受到影响。
• 进程 ID 和用户 ID： 所有线程共享相同的进程 ID 和用户 ID。这意味着它们属于同一个进程，有相同的权限和标识。
• 共享库（Shared Libraries）： 所有线程共享相同的动态链接库。这些库包括在程序运行时加载的共享对象，被所有线程共享以提高效率。
• 文件系统相关信息： 所有线程共享相同的当前工作目录、根目录和umask等文件系统相关的信息。

需要注意，尽管线程在这些方面是共享的，但线程拥有独立的线程 ID、寄存器集合、栈空间和局部变量等。

当内存资源空间不足时，应该使用线程还是进程呢？

• 当内存资源空间不足时，通常来说，使用线程相对于使用进程可能更为合适。这是因为线程共享相同的地址空间，因此相对于创建新的进程，创建新的线程的开销较小。

不是说线程是通过pthread_create创建的吗？怎么LWP是通过clone创建的？

• POSIX线程库提供了pthread_create等函数，用于在用户空间创建线程。这些线程是用户级别的，而在用户级别线程之上，内核可能会使用轻量级进程（LWP）来实现线程的调度和管理。

线程也称为轻量级进程，也称为LWP，那pthread_create创建进程与LWP有什么关系吗？或者是不是同一个？

• 是同一个，并且是pthread_create创建的线程，也称为LWP。
• 在一些系统中，pthread_create函数可以用来创建轻量级进程（LWP）或内核级线程，这些是由clone系统调用实现的。在这种情况下，pthread_create用于在用户级别创建线程，而实际的线程实现是由内核级别的LWP支持的。