Linux进程、线程问题

2010年8月15日，今天研究的是Linux的进程管理，昨天是内存寻址，感慨颇深啊，《深入理解Linux内核》这本书真是浪得虚名，根本没有说到问题的本质，一些概念的由来、定义、区别以及联系，技术的原理，运行过程，整体结构，各部分衔接等等问题统统没有说明白，甚至根本没说，全书都是Linux的数据结构，及各种变量，接口函数，却根本没说是什么，为什么。对于新手来说简直是灾难，我看完之后发觉什么都不知道，跟他妈没看一样，根本不理解，没办法去差别的资料或者网上搜索，在网上Baidu、Google了一天，终于搞明白了Linux的进程、线程到底是怎么回事，现将网上的一些文章加以修改，加入我的理解。可能有些地方不准确，希望大家指正。其实以下基本都是摘自网上的文章，我只是负责整理，原作者不要告我侵权啊。

一．定义

关于进程、轻量级进程、线程、用户线程、内核线程的定义，这个很容易找到，但是看完之后你可以说你懂了，但实际上你真的明白了么？

在现代操作系统中，进程支持多线程。进程是资源管理的最小单元；而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分：线程集合和资源集合。进程中的线程是动态的对象；代表了进程指令的执行。资源，包括地址空间、打开的文件、用户信息等等，由进程内的线程共享。线程有自己的私有数据：程序计数器，栈空间以及寄存器。

传统进程的缺点

现实中有很多需要并发处理的任务，如数据库的服务器端、网络服务器、大容量计算等。一个任务是一个进程，传统的UNIX进程是单线程（执行流）的，单线程意味着程序必须是顺序执行，单个任务不能并发；既在一个时刻只能运行在一个处理器上，因此不能充分利用多处理器框架的计算机。如果采用多进程的方法，即把一个任务用多个进程解决，则有如下问题：
a. fork一个子进程的消耗是很大的，fork是一个昂贵的系统调用，即使使用现代的写时复制(copy-on-write)技术。
b. 各个进程拥有自己独立的地址空间，进程间的协作需要复杂的IPC技术，如消息传递和共享内存等。

多线程的优缺点

线程：其实可以先简单理解成cpu的一个执行流，指令序列。多支持多线程的程序(进程)可以取得真正的并行(parallelism)，且由于共享进程的代码和全局数据，故线程间的通信是方便的。它的缺点也是由于线程共享进程的地址空间，因此可能会导致竞争，因此对某一块有多个线程要访问的数据需要一些同步技术。

轻量级进程LWP

    既然称作轻量级进程，可见其本质仍然是进程，与普通进程相比，LWP与其它进程共享所有（或大部分）逻辑地址空间和系统资源，一个进程可以创建多个LWP，这样它们共享大部分资源；LWP有它自己的进程标识符，并和其他进程有着父子关系；这是和类Unix操作系统的系统调用vfork()生成的进程一样的。LWP由内核管理并像普通进程一样被调度。Linux内核是支持LWP的典型例子。Linux内核在 2.0.x版本就已经实现了轻量进程，应用程序可以通过一个统一的clone()系统调用接口，用不同的参数指定创建轻量进程还是普通进程，通过参数决定子进程和父进程共享的资源种类和数量，这样就有了轻重之分。在内核中， clone()调用经过参数传递和解释后会调用do_fork()，这个核内函数同时也是fork()、vfork()系统调用的最终实现。

在大多数系统中，LWP与普通进程的区别也在于它只有一个最小的执行上下文和调度程序所需的统计信息，而这也是它之所以被称为轻量级的原因。

因为LWP之间共享它们的大部分资源，所以它在某些应用程序就不适用了；这个时候就要使用多个普通的进程了。例如，为了避免内存泄漏（a process can be replaced by another one）和实现特权分隔（processes can run under other credentials and have other permissions）。

用户线程

这里的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的建立，同步，销毁，调度完全在用户空间完成，不需要内核的帮助。因此这种线程的操作是极其快速的且低消耗的。

上图是最初的一个用户线程模型，从中可以看出，进程中包含线程，用户线程在用户空间中实现，内核并没有直接对用户线程进程调度，内核的调度对象和传统进程一样，还是进程本身，内核并不知道用户线程的存在。用户线程之间的调度由在用户空间实现的线程库实现。

这种模型对应着恐龙书中提到的多对一线程模型，其缺点是一个用户线程如果阻塞在系统调用中，则整个进程都将会阻塞。

内核线程

用户态线程和内核态线程；主要的区分就是“谁来管理”线程，用户态是用户管理，内核态是内核管理（但肯定要提供一些API，例如创建）。

简单对比两者优劣势：

1）可移植性：因为ULT完全在用户态实现线程，因此也就和具体的内核没有什么关系，可移植性方面ULT略胜一筹；

2）可扩展性：ULT是由用户控制的，因此扩展也就容易；相反，KLT扩展就很不容易，基本上只能受制于具体的操作系统内核；

3）性能：由于ULT的线程是在用户态，对应的内核部分还是一个进程，因此ULT就没有办法利用多处理器的优势，而KLT就可以通过调度将线程分布在多个处理上运行，这样KLT的性能高得多；另外，一个ULT的线程阻塞，所有的线程都阻塞，而KLT一个线程阻塞不会影响其它线程。

4）编程复杂度：ULT的所有管理工作都要由用户来完成，而KLT仅仅需要调用API接口，因此ULT要比KLT复杂的多。

小结

         其实最初根本没有线程的概念，只有进程，一个任务一个进程一个执行流，多任务处理机就是多进程。后来提出线程的概念，但是要如何去实现，这里就有很多种实现方法了，文章看到这里，可以想到两种实现方法，一种就是上面所说的用户线程的方法，其优缺点上文以简述；再有就是用轻量级进程去模拟，即我们可以把LWP看成是一个线程。就应为这个使得线程和进程的概念混淆了，至少我觉得很多人其实根本就不知道，至少我以前不知道，有人说系统调度单位是进程，又有人说是线程，其实系统调度的单位一直就没有改变，只是后来部分线程和进程的界限模糊了，至少上文中的用户线程绝对不是调度对象，LWP模拟的线程却是调度对象。

二．Linux线程发展

这个对于理解Linux多线程很有帮助，可惜《深入理解Linux内核》这本书只字未提，根本没讲Linux多线程的机理，至少我没看懂。

一直以来, linux内核并没有线程的概念. 每一个执行实体都是一个task_struct结构, 通常称之为进程. Linux内核在 2.0.x版本就已经实现了轻量进程，应用程序可以通过一个统一的clone()系统调用接口，用不同的参数指定创建轻量进程还是普通进程。在内核中， clone()调用经过参数传递和解释后会调用do_fork()，这个核内函数同时也是fork()、vfork()系统调用的最终实现。后来为了引入多线程，Linux2.0~2.4实现的是俗称LinuxThreads的多线程方式，到了2.6，基本上都是NPTL的方式了。下面我们分别介绍。

LinuxThreads     

注：以下内容主要参考“杨沙洲 (mailto:pubb@163.net?subject=Linux 线程实现机制分析&cc=pubb@163.net)国防科技大学计算机学院”的“Linux 线程实现机制分析”。

linux 2.6以前, pthread线程库对应的实现是一个名叫linuxthreads的lib.这种实现本质上是一种LWP的实现方式，即通过轻量级进程来模拟线程，内核并不知道有线程这个概念，在内核看来，都是进程。

Linux采用的“一对一”的线程模型，即一个LWP对应一个线程。这个模型最大的好处是线程调度由内核完成了，而其他线程操作（同步、取消）等都是核外的线程库函数完成的。

linux上的线程就是基于轻量级进程, 由用户态的pthread库实现的.使用pthread以后, 在用户看来, 每一个task_struct就对应一个线程, 而一组线程以及它们所共同引用的一组资源就是一个进程.但是, 一组线程并不仅仅是引用同一组资源就够了, 它们还必须被视为一个整体.

对此, POSIX标准提出了如下要求:

1, 查看进程列表的时候, 相关的一组task_struct应当被展现为列表中的一个节点;
2, 发送给这个"进程"的信号(对应kill系统调用), 将被对应的这一组task_struct所共享, 并且被其中的任意一个"线程"处理;
3, 发送给某个"线程"的信号(对应pthread_kill), 将只被对应的一个task_struct