线程(LWP,light weight process)是轻量级的进程,本质仍是进程(在类unix环境下)。进程有独立地址空间,拥有PCB;线程也有PCB,但没有独立的地址空间(共享)。在Linux下,线程是最小的执行单位;进程是最小分配资源单位,可看成是只有一个线程的进程。
(1)Linux内核线程实现原理
类Unix系统中,早期是没有“线程”概念的,80年代才引入,借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中,进程和线程关系密切。类unix操作系统和Windows操作系统的线程实现原理不一样,类unix操作系统的线程是依赖于进程实现的。
轻量级进程(light-weight process),也有PCB,创建线程使用的底层函数和进程一样,都是clone,即fork和pthread_creat调用的底层函数都是clone。刚fork之后,子进程与父进程的大多数内容都是相同的,遵从读时共享,写时复制的原则,即子进程有开辟属于自己空间的能力,拥有自己独立的进程地址空间;而进程在pthread_creat后,产生的线程却无法从该地址空间中独立出去,它们(同一个进程中的所有线程)共享这一个地址空间,当然它们所属于自己的PCB,PCB是相互独立的。同一个进程的所有线程的PCB都保存有相同的页表,因此线程共享虚拟地址空间。
从内核里看进程和线程是一样的,都有各自不同的PCB,但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的,因此同一个进程中的多个线程在对同一个虚拟地址(线性地址)经过MMU变换为的物理地址都是同样的,则它们共享同一个虚拟地址空间。但是,每个线程又必须有属于自己的任务(指令集合,这些是各自独立的),这些都保存在寄存器和栈中,它们又保存在各自的PCB中。所有的函数占据的地址空间都为栈空间(向下增长),整个栈空间都是由一个个栈帧组成。每一个函数有属于自己的栈帧空间,栈帧空间里面存储了函数的局部变量、函数的形参和临时值。如进程中的某一个线程有属于自己执行的函数:
int main ( )
{
myprint( );
return 0;
}
void myprint( )
{
func( );
}
则main函数、myprint函数和func函数都位于栈空间(stack),每个函数都占据一个栈帧,如下:
三个栈帧空间连续分配,每个栈帧空间由ebp(头)和esp(尾)共同决定,它们各自存储在一个寄存器中,当main函数调用myprint函数时,此时两个寄存器的值变为第二个栈帧的头和尾,但是需要该函数调用完需要返回到main函数中,因此还需要把main函数的栈帧空间的头尾保存起来,这个就是临时值,保存在main函数的栈帧空间中。myprint函数调用func函数时同理,myprint栈帧空间的头尾作为临时值保存到myprint栈帧空间中。综上线程可以看做是寄存器和栈的集合。
在内核空间也有一个栈空间,称为内核栈,用于保存寄存器的值。如进程或者线程在切换时,需要保存寄存器的值,而这些值都保存在内核的栈空间中,因此每个线程也都有自己独立的内核栈空间。局部变量都存储于栈空间中(用户栈空间),而全局变量存储在寄存器中,切换时保存到了内核栈空间中。
进程可以蜕变成线程。一个进程创建一个线程时,自己本身也蜕变成为了一个线程。
在linux下,线程最是小的执行单位;进程是最小的分配资源单位。
三级映射:进程PCB→页目录(可看成数组,首地址位于PCB中)→页表→物理页面 →内存单元。
实际上,无论是创建进程的fork,还是创建线程的pthread_create,底层实现都是调用同一个内核函数clone。如果复制对方的地址空间,那么就产出一个“进程”;如果共享对方的地址空间,就产生一个“线程”。因此Linux内核是不区分进程和线程的。只在用户层面上进行区分。所以,线程所有操作函数 pthread_* 是库函数,而非系统调用。
(2)线程号与线程ID
查看某一个进程对应的所有线程的线程号(LWP号):ps –Lf pid;如下图所示。线程号是Linux内核划分给线程CPU时间轮片的依据。UID为线程所属用户ID;PID为线程对应的进程ID,PPID进程的父进程ID,LWP为线程号,NLWP为该进程中线程的数目(下面3291号进程的线程数为3)。注意区分线程号与线程ID,两者不是一个概念。Linux内核就是根据线程号来划分CPU时间轮片的,而线程的ID用于区分线程。
线程ID是进程内部识别标志(两个进程间,线程ID允许相同,但是线程号必须不同,因为线程号是CPU时间片划分依据);另外,线程ID明显比线程号和进程ID大得多(可通过ps –Lf pid查看),而线程号和进程ID数量级一样,且线程号和进程ID都不能相同,线程ID在不同进程中可以相同。
[root@localhost 01_pthread_test]# ps -Lf 3291
UID PID PPID LWP C NLWP STIME TTY STAT TIME CMD
gdm 3291 3283 3291 0 3 14:18 ? Sl 0:00 /usr/libexec/ibus-dconf
gdm 3291 3283 3297 0 3 14:18 ? Sl 0:00 /usr/libexec/ibus-dconf
gdm 3291 3283 3298 0 3 14:18 ? Sl 0:00 /usr/libexec/ibus-dconf
(3)线程共享资源
1.文件描述符表(共享打开的文件);
2.每种信号的处理方式;
3.当前工作目录;
4.用户ID和组ID;
5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap(堆)/共享库),即用户空间中除了栈空间stack部分;
6.共享页表。
(4)线程非共享资源
1.线程id;
2.处理器现场(寄存器)和栈指针(指向内核栈);
3.独立的栈空间(用户空间栈),即函数运行所需要的空间;
4.errno变量(全局变量),注意虽然位于.data段,但是非共享;
5.信号屏蔽字;
6.调度优先级。
(5)线程优缺点
优点:提高程序并发性;开销小;数据通信、共享数据方便。
缺点:库函数,不稳定;调试、编写困难、gdb不支持;对信号支持不好。
优点相对突出,缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。