Linux中的线程与进程

导读 Linux 内核中并没有对线程做特殊处理,还是由 task_struct 来管理。从内核的角度看,用户态的线程本质上还是一个进程。只不过和普通进程比,稍微“轻量”了那么一些。

关于进程和线程,在 Linux 中是一对儿很核心的概念。但是进程和线程到底有啥联系,又有啥区别,很多人还都没有搞清楚。

在网上对进程和线程的讨论中,很多都是聚集在这二位有啥不同。但事实在 Linux 上,进程和线程的相同点要远远大于不同点。在 Linux 下的线程甚至都被称为了轻量级进程。

我今天就给大家从 Linux 内核实现的角度,给大家深度对比下进程和线程。

一、线程的创建方法

在 Redis 6.0 以上的版本里,也开始支持使用多线程来提供核心服务,我们就以它为例。

在 Redis 主线程启动以后,会调用 initThreadedIO 来创建多个 io 线程。

redis 源码地址:https://github.com/redis/redis


void initThreadedIO(void) {
 
 for (int i = 0; i < server.io_threads_num; i++) {
  pthread_t tid;
  pthread_create(&tid,NULL,IOThreadMain,(void*)(long)i)
  io_threads[i] = tid;
 }
}

创建线程具体调用的是 pthread_create 函数,pthread_create 是在 glibc 库中实现的。在 glibc 库中,pthread_create 函数的实现调用路径是 __pthread_create_2_1 -> create_thread。其中 create_thread 这个函数比较重要,它设置了创建线程时使用的各种 flag 标记。


static int
create_thread (struct pthread *pd, ...)
{
 int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL
    | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID
    | CLONE_CHILD_CLEARTID | CLONE_SYSVSEM
    | 0);

 int res = do_clone (pd, attr, clone_flags, start_thread,
      STACK_VARIABLES_ARGS, 1);
 ...
}

在上面的代码中,传入参数中的各个 flag 标记是非常关键的。这里我们先知道一下传入了 CLONE_VM、CLONE_FS、CLONE_FILES 等标记就行了,后面我们会讲内核中针对这些参数做的特殊处理。

接下来的 do_clone 最终会调用一段汇编程序,在汇编里进入 clone 系统调用,之后会进入内核中进行处理。


//file:sysdeps/unix/sysv/linux/i386/clone.S
ENTRY (BP_SYM (__clone))
  ...
  movl  $SYS_ify(clone),%eax
  ...
二、内核中对线程的表示

在开始介绍线程的创建过程之前,先给大家看看内核中表示线程的数据结构。

开篇的时候我说了,进程和线程的相同点要远远大于不同点。主要依据就是在 Linux 中,无论进程还是线程,都是抽象成了 task 任务,在源码里都是用 task_struct 结构来实现的。

Linux中的线程与进程

我们来看 task_struct 具体的定义,它位于 include/linux/sched.h。


struct task_struct {
 
 volatile long state;

 
 pid_t pid;
 pid_t tgid;

 
 struct task_struct __rcu *parent;
 struct list_head children; 
 struct list_head sibling;
 struct task_struct *group_leader; 

 
 int prio, static_prio, normal_prio;
 unsigned int rt_priority;

 
 struct mm_struct *mm, *active_mm;

 
 struct fs_struct *fs;

 
 struct files_struct *files;

 
 struct nsproxy *nsproxy;

 ...
}

对于线程来讲,所有的字段都是和进程一样的(本来就是一个结构体来表示的)。包括状态、pid、task 树关系、地址空间、文件系统信息、打开的文件信息等等字段,线程也都有。

这也就是我前面说的,进程和线程的相同点要远远大于不同点,本质上是同一个东西,都是一个 task_struct !正因为进程线程如此之相像,所以在 Linux 下的线程还有另外一个名字,叫轻量级进程。至于说轻量在哪儿,稍后我们再说。

这里我们稍微说一下 pid 和 tgid 这两个字段。在 Linux 中,每一个 task_struct 都需要被唯一的标识,它的 pid 就是唯一标识号。


struct task_struct {
 ......
 pid_t pid;
 pid_t tgid;
}

对于进程来说,这个 pid 就是我们平时常说的进程 pid。

对于线程来说,我们假如一个进程下创建了多个线程出来。那么每个线程的 pid 都是不同的。但是我们一般又需要记录线程是属于哪个进程的。这时候,tgid 就派上用场了,通过 tgid 字段来表示自己所归属的进程 ID。

Linux中的线程与进程

这样内核通过 tgid 可以知道线程属于哪个进程。

三、线程创建过程

要想知道进程和线程的区别到底在哪儿,我们从线程的创建过程来详细看一下。

3.1 回顾进程创建

事实上,进程线程创建的时候,使用的函数看起来不一样。但实际在底层实现上,最终都是使用同一个函数来实现的。

Linux中的线程与进程

我们再简单回顾一下创建进程时 fork 系统调用的源码,fork 调用主要就是执行了 do_fork 函数。注意:fork 函数调用 do_fork 的传的参数分别是SIGCHLD、0,0,NULL,NULL。


SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
 return do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL);
}

do_fork 函数又调用 copy_process 完成进程的创建。


long do_fork(...)
{
 
 struct task_struct *p;
 p = copy_process(clone_flags, ...);
 ...
}
3.2 线程的创建

我们在本文第一小节里介绍到 lib 库函数 pthread_create 会调用到 clone 系统调用,为其传入了一组 flag。


//file:nptl/sysdeps/pthread/createthread.c
static int
create_thread (struct pthread *pd, ...)
{
 int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL
    | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID
    | CLONE_CHILD_CLEARTID | CLONE_SYSVSEM
    | 0);

 int res = do_clone (pd, attr, clone_flags, ...);
 ...
}

好,我们找到 clone 系统调用的实现。


//file:kernel/fork.c
SYSCALL_DEFINE5(clone, ......)
{
 return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
}

同样,do_fork 函数还是会执行到 copy_process 来完成实际的创建。

3.3 进程线程创建异同

可见和创建进程时使用的 fork 系统调用相比,创建线程的 clone 系统调用几乎和 fork 差不多,也一样使用的是内核里的 do_fork 函数,最后走到 copy_process 来完整创建。

不过创建过程的区别是二者在调用 do_fork 时传入的 clone_flags 里的标记不一样!。

创建进程时的 flag:仅有一个 SIGCHLD
创建线程时的 flag:包括 CLONE_VM、CLONE_FS、CLONE_FILES、CLONE_SIGNAL、CLONE_SETTLS、CLONE_PARENT_SETTID、CLONE_CHILD_CLEARTID、CLONE_SYSVSEM。
关于这些 flag 的含义,我们选几个关键的做一个简单的介绍,后面介绍 do_fork 细节的时候会再次涉及到。

CLONE_VM: 新 task 和父进程共享地址空间
CLONE_FS:新 task 和父进程共享文件系统信息
CLONE_FILES:新 task 和父进程共享文件描述符表
这些 flag 会对 task_struct 产生啥影响,我们接着看接下来的内容。

四、揭秘 do_fork 系统调用

在本节中我们以动态的视角来看一下线程的创建过程.

前面我们看到,进程和线程创建都是调用内核中的 do_fork 函数来执行的。在 do_fork 的实现中,核心是一个 copy_process 函数,它以拷贝父进程(线程)的方式来生成一个新的 task_struct 出来。


//file:kernel/fork.c
long do_fork(unsigned long clone_flags, ...)
{
 //复制一个 task_struct 出来
 struct task_struct *p;
 p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
    child_tidptr, NULL, trace);

 //子任务加入到就绪队列中去,等待调度器调度
 wake_up_new_task(p);
 ...
}

在创建完毕后,调用 wake_up_new_task 将新创建的任务添加到就绪队列中,等待调度器调度执行。这个代码很长,我对其进行了一定程度的精简。


//file:kernel/fork.c
static struct task_struct *copy_process(...)
{
 //4.1 复制进程 task_struct 结构体
 struct task_struct *p;
 p = dup_task_struct(current);
 ...

 //4.2 拷贝 files_struct
 retval = copy_files(clone_flags, p);

 //4.3 拷贝 fs_struct
 retval = copy_fs(clone_flags, p);

 //4.4 拷贝 mm_struct
 retval = copy_mm(clone_flags, p);

 //4.5 拷贝进程的命名空间 nsproxy
 retval = copy_namespaces(clone_flags, p);

 //4.6 申请 pid && 设置进程号
 pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns);
 p->pid = pid_nr(pid);
 p->tgid = p->pid;
 if (clone_flags & CLONE_THREAD)
  p->tgid = current->tgid;

 ......
}

可见,copy_process 先是复制了一个新的 task_struct 出来,然后调用 copy_xxx 系列的函数对 task_struct 中的各种核心对象进行拷贝处理,还申请了 pid 。接下来我们分小节来查看该函数的每一个细节。

4.1 复制 task_struct 结构体

注意一下,上面调用 dup_task_struct 时传入的参数是 current,它表示的是当前任务。在 dup_task_struct 里,会申请一个新的 task_struct 内核对象,然后将当前任务复制给它。需要注意的是,这次拷贝只会拷贝 task_struct 结构体本身,它内部包含的 mm_struct 等成员不会被复制。

Linux中的线程与进程

我们来简单看下具体的代码。


//file:kernel/fork.c
static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)
{
 //申请 task_struct 内核对象
 tsk = alloc_task_struct_node(node);
 //复制 task_struct
 err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);
 ...
}

其中 alloc_task_struct_node 用于在 slab 内核内存管理区中申请一块内存出来。


//file:kernel/fork.c
static struct kmem_cache *task_struct_cachep;
static inline struct task_struct *alloc_task_struct_node(int node)
{
 return kmem_cache_alloc_node(task_struct_cachep, GFP_KERNEL, node);
}

申请完内存后,调用 arch_dup_task_struct 进行内存拷贝。


//file:kernel/fork.c
int arch_dup_task_struct(struct task_struct *dst,
         struct task_struct *src)
{
 *dst = *src;
 return 0;
}
4.2 拷贝打开文件列表

我们先回忆一下前面的内容,创建线程调用 clone 系统调用的时候,传入了一堆的 flag,其中有一个就是 CLONE_FILES。如果传入了 CLONE_FILES 标记,就会复用当前进程的打开文件列表 – files 成员。

Linux中的线程与进程

对于创建进程来讲,没有传入这个标志,就会新创建一个 files 成员出来。

Linux中的线程与进程

好了,我们继续看 copy_files 具体实现。


//file:kernel/fork.c
static int copy_files(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{
 struct files_struct *oldf, *newf;
 oldf = current->files;

 if (clone_flags & CLONE_FILES) {
  atomic_inc(&oldf->count);
  goto out;
 }
 newf = dup_fd(oldf, &error);
 tsk->files = newf;
 ...
}

从代码看出,如果指定了 CLONE_FILES(创建线程的时候),只是在原有的 files_struct 里面 +1 就算是完事了,指针不变,仍然是复用创建它的进程的 files_struct 对象。

这就是进程和线程的其中一个区别,对于进程来讲,每一个进程都需要独立的 files_struct。但是对于线程来讲,它是和创建它的线程复用 files_struct 的。

4.3 拷贝文件目录信息

再回忆一下创建线程的时候,传入的 flag 里也包括 CLONE_FS。如果指定了这个标志,就会复用当前进程的文件目录 – fs 成员。

Linux中的线程与进程

对于创建进程来讲,没有传入这个标志,就会新创建一个 fs 出来。

Linux中的线程与进程

好,我们继续看 copy_fs 的实现。


//file:kernel/fork.c
static int copy_fs(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{
 struct fs_struct *fs = current->fs;
 if (clone_flags & CLONE_FS) {
  fs->users++;
  return 0;
 }
 tsk->fs = copy_fs_struct(fs);
 return 0;
}

和 copy_files 函数类似,在 copy_fs 中如果指定了 CLONE_FS(创建线程的时候),并没有真正申请独立的 fs_struct 出来,近几年只是在原有的 fs 里的 users +1 就算是完事。

而在创建进程的时候,由于没有传递这个标志,会进入到 copy_fs_struct 函数中申请新的 fs_struct 并进行赋值拷贝。

4.4 拷贝内存地址空间

创建线程的时候带了 CLONE_VM 标志,而创建进程的时候没带。接下来在 copy_mm 函数 中会根据是否有这个标志来决定是该和当前线程共享一份地址空间 mm_struct,还是创建一份新的。


//file:kernel/fork.c
static int copy_mm(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{
 struct mm_struct *mm, *oldmm;
 oldmm = current->mm;

 if (clone_flags & CLONE_VM) {
  atomic_inc(&oldmm->mm_users);
  mm = oldmm;
  goto good_mm;
 }
 mm = dup_mm(tsk);
good_mm:
 return 0; 
}

对于线程来讲,由于传入了 CLONE_VM 标记,所以不会申请新的 mm_struct 出来,而是共享其父进程的。

Linux中的线程与进程

多线程程序中的所有线程都会共享其父进程的地址空间。

Linux中的线程与进程

而对于多进程程序来说,每一个进程都有独立的 mm_struct(地址空间)。

Linux中的线程与进程

因为在内核中线程和进程都是用 task_struct 来表示,只不过线程和进程的区别是会和创建它的父进程共享打开文件列表、目录信息、虚拟地址空间等数据结构,会更轻量一些。所以在 Linux 下的线程也叫轻量级进程。

在打开文件列表、目录信息、内存虚拟地址空间中,内存虚拟地址空间是最重要的。因此区分一个 Task 任务该叫线程还是该叫进程,一般习惯上就看它是否有独立的地址空间。如果有,就叫做进程,没有,就叫做线程。

这里展开多说一句,对于内核任务来说,无论有多少个任务,其使用地址空间都是同一个。所以一般都叫内核线程,而不是内核进程。

五 结论

创建线程的整个过程我们就介绍完了。回头总结一下,对于线程来讲,其地址空间 mm_struct、目录信息 fs_struct、打开文件列表 files_struct 都是和创建它的任务共享的。

Linux中的线程与进程

但是对于进程来讲,地址空间 mm_struct、挂载点 fs_struct、打开文件列表 files_struct 都要是独立拥有的,都需要去申请内存并初始化它们。

Linux中的线程与进程

总之,在 Linux 内核中并没有对线程做特殊处理,还是由 task_struct 来管理。从内核的角度看,用户态的线程本质上还是一个进程。只不过和普通进程比,稍微“轻量”了那么一些。

那么线程具体能轻量多少呢?我之前曾经做过一个进程和线程的上下文切换开销测试。进程的测试结果是一次上下文切换平均 2.7 – 5.48 us 之间。线程上下文切换是 3.8 us左右。总的来说,进程线程切换还是没差太多。

原文来自:https://www.51cto.com/article/720464.html

本文地址:https://www.linuxprobe.com/threads-and-processes-in-linux.html编辑:冯瑞涛,审核员:逄增宝

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