聊聊Linux中线程和进程的联系与区别！

Posted 2023-01-12 热爱编程的大忽悠

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聊聊Linux中线程和进程的联系与区别！相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

聊聊Linux中线程和进程的联系与区别！

大家好，我是飞哥！

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

//file:src/networking.c
void initThreadedIO(void) 
 //开始 io 线程的创建
 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 --> 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。

//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, 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。

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

//file:include/linux/sched.h
struct task_struct 
 //1.1 task状态 
 volatile long state;

 //1.2 进程线程的pid
 pid_t pid;
 pid_t tgid;

 //1.3 task树关系：父进程、子进程、兄弟进程
 struct task_struct __rcu *parent;
 struct list_head children; 
 struct list_head sibling;
 struct task_struct *group_leader; 

 //1.4 task调度优先级
 int prio, static_prio, normal_prio;
 unsigned int rt_priority;

 //1.5 地址空间
 struct mm_struct *mm, *active_mm;

 //1.6 文件系统信息（当前目录等）
 struct fs_struct *fs;

 //1.7 打开的文件信息
 struct files_struct *files;

 //1.8 namespaces 
 struct nsproxy *nsproxy;

 ...

这个数据结构已经在上一篇文章《Linux进程是如何创建出来的？》中，我们详细介绍过了。

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。

//file:include/linux/sched.h
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。

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

在《Linux进程是如何创建出来的？》一文中我们了解了进程的创建过程。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。

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。

//file:kernel/fork.c
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。

//file:kernel/fork.c
long do_fork(...)

 //复制一个 task_struct 出来
 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。

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。关于 slab 机制请参考- 内核内存管理

//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。

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。

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。

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。

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;