奇葩的linux进程线程设计

发布于：2024-07-02 ⋅ 阅读:(17) ⋅ 点赞:(0)

哈喽，我是子牙老师。今天咱们聊聊linux的进程线程设计，会讲到很多很多曾经困惑着你，或一直折磨着你的东东

对于linux来说，它的机制有很多。但是你掌握它的内存机制、进程线程进制，其他机制学起来会非常轻松。所以linux的进程机制，大家在学习的时候一定要学得非常透彻！不要放过任何一个疑点！对于你理解容器技术，如docker、k8s，进程机制也至关重要！

坦白讲，linux的进程线程机制设计得比较绕，不像Windows的进程线程设计的那么容易理解。不清楚这里为什么要设计成这样。一个东西用一个struct来表示，多清晰，非要混在一起。吐槽完了咱们就开始吧，来看看这个奇葩设计是如何设计的

谈到进程线程，就不得不说到协程，我之前用C语言写过一个协程

如果你有这些疑惑，墙裂建议你把这篇文章吃透：

linux系统的进程线程与Windows系统的进程线程有何不同
linux进程包含哪些资源
如何理解linux中的进程、线程、内核线程、用户线程、线程组、进程组
什么是线程上下文
有没有进程上下文这一说
linux内核如何识别是进程还是线程
linux内核如何识别是子进程还是线程
linux中有哪些创建进程与线程的方式
linux内核支持协程吗

正文，enjoy

进程与线程

先搞清楚什么是进程、什么是线程。进程是os中资源管理最小单元，线程是os中调度最小单元。是不是很抽象？是不是没概念？那我举个例子吧，我最擅长的就是化抽象为具象

如果把整个人类社会比喻成操作系统，那人，就是进程。人管理的资源是什么？大脑、心脏、手脚……那线程是什么呢？线程就是你掌握的能力，你去干的每件事。你干每件事，都是共享你的大脑、心脏、手脚……就像真实的os中说的，线程不独占资源，线程共享资源。有没有get？没有get的话，多理解几遍，因为你没有这个认知，你学这些，就像在浆糊里打滚，一团乱

在真实的os中，进程管理哪些资源呢？以linux为例
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因为线程是最小调度单位，所以只有线程上下文一说，没有进程上下文一说。准确表达就是：进程切换、线程调度。切换进程怎么理解？就相当于换一个人干活。上面那个例子，对于你理解任何进程线程现象，真的很不错

对了，很多小伙伴对线程上下文没概念，我再让你这个认知具象化
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一个进程中可以创建多少线程呢？理论上来说是无限的，但是linux做了限制
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顺便提下协程吧，协程不是内核态实现的，是用户态实现的，协程的本质是分享线程的CPU时间片资源，不用进内核。协程的设计，一般都是主动释放时间片，因为被动释放，就需要内核或者硬件的介入，协程就失去了存在的意义，就跟线程是一个概念了。我之前写过协程，感兴趣的移步【C语言写协程】

理想的进程线程设计

如果你自己写操作系统，对于进程、线程，你是不是会用不同的结构体来表示。Windows就是这么干的，但是linux不是。咱们来看看Windows的进程、线程
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接下来咱们就去看看linux的进程线程设计，不管是进程、子进程，还是线程，都对应的是同一个结构体task_struct

奇葩的linux进程线程设计

因为Linux中的进程、子进程、线程，都是用一个结构体task_struct表示的，又引出了几个新的名词，属实令人费解，接下来咱们透彻分析一下

有这么几个名词：内核线程、用户线程、线程、进程、线程组、进程组

先看一个进程、子进程、线程在Linux内核中的存在形式，即task_struct长啥样
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从Linux的角度来说，线程也是一种进程，只不过是共享某个进程的用户虚拟地址空间

那什么是用户线程，什么是内核线程呢
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在Linux中，只有一个线程的进程，称为进程，如果包含多个线程，就有了新的名词，线程组
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那什么是进程组呢？就是一堆不共享用户虚拟地址空间的进程绑在一起
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既然都是同一个task_struct，那Linux内核如何区分是进程还是线程呢？你得知道在Linux内核层面，进程与线程是这样表示的
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所以你这样就可以识别
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Linux内核是如何区分是子进程还是线程的呢？你如果有答案，你就看懂了Linux的进程线程设计，如果没有，说明你还是没有get到那种感觉
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那Linux内核是如何区分是父进程还是子进程呢？这个应该是相对来说的，就是谁是父谁是子。理解这两个字段即可
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比如有进程A、进程B，代码这样实现
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至此，就把Linux的进程线程机制讲完了。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，下一篇文章，我会写代码论证分析，并将代码分享出来。

linux为什么要这么设计

出于好奇，我看了下这块是由哪些大牛设计的，亮瞎
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他们为什么要设计成这样呢？我也特地问了下ChatGPT
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看完以后，我的感觉：嗯，牛逼，这样设计就没有缺点吗？
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看吧，linux内核，这么多世界级的大佬写出来的，依然不能保证十全十美。所以，任何事物，都是选择，有利必有弊，没有完美的东西。

我猜测：未来，有可能会进行拆分，将进程、线程用不同的结构体来表示。我为什么做这样的猜测？因为我读了linux内核的源码，复杂得一批！没有Windows内核源码读起来清爽。很难想象如果要扩展，会牵涉多少细节的调整，会不会因忽略某个细节引起连锁反应。

如何创建进程

如图
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Linux中，创建子进程，现在一般用fork，底层是写时复制技术。就是创建子进程的时候，原样copy父进程。比如内存页表，直接copy父进程的，当有数据修改时，页表描述符PTE是只读的，写的时候，触发page fault异常，完成物理页的分配与挂载，生成新的page的内存空间

创建线程一般用pthread_create，底层是调用的clone函数，类似这样
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不管是创建子进程，还是线程，最终都会进入内核函数_do_fork，核心逻辑如下
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至此，Linux中如何创建子进程、线程的整体框架应该清晰了吧

来玩个奇思妙想，如果fork在用户态用clone实现，你觉得这个代码要怎么写？
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对了，我没贴clone函数原型。
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对了，上面说的Linux进程包含的资源，那一大堆的CLONE_，就是clone的flags。你悟了吗？