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。
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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。
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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。
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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。

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