线程的那些事儿

2011年8月28日 由 edsionte 留言 »

1.线程

通过操作系统原理课,我们知道进程是系统资源分配的基本单位,线程是程序独立运行的基本单位。线程有时候也被称作小型进程,首先,这是因为多个线程之间是可以共享资源的;其次,多个线程之间的切换所花费的代价远远比进程低。

在用户态下,使用最广泛的线程操作接口即为POSIX线程接口,即pthread。通过这组接口可以进行线程的创建以及多线程之间的并发控制等。

2.轻量级进程

如果内核要对线程进行调度,那么线程必须像进程那样在内核中对应一个数据结构。进程在内核中有相应的进程描述符,即task_struct结构。事实上,从Linux内核的角度而言,并不存在线程这个概念。内核对线程并没有设立特别的数据结构,而是与进程一样使用task_struct结构进行描述。也就是说线程在内核中也是以一个进程而存在的,只不过它比较特殊,它和同类的进程共享某些资源,比如进程地址空间,进程的信号,打开的文件等。我们将这类特殊的进程称之为轻量级进程(Light Weight Process)。

按照这种线程机制的理解,每个用户态的线程都和内核中的一个轻量级进程相对应。多个轻量级进程之间共享资源,从而体现了多线程之间资源共享的特性。同时这些轻量级进程跟普通进程一样由内核进行独立调度,从而实现了多个进程之间的并发执行。

3.POSIX线程库的实现

用户线程和内核中轻量级进程的关联通常实在符合POSIX线程标准的线程库中完成的。支持轻量级进程的线程库有三个:LinuxThreads、NGPT(Next-Generation POSIX Threads)和NPTL(Native POSIX Thread Library)。由于LinuxThreads并不能完全兼容POSIX标准以及NGPT的放弃,目前Linux中所采用的线程库即为NPTL。

4.线程组

POSIX标准规定在一个多线程的应用程序中,所有线程都必须具有相同的PID。从线程在内核中的实现可得知,每个线程其实都有自己的pid。为此,Linux引入了线程组的概念。在一个多线程的程序中,所有线程形成一个线程组。每一个线程通常是由主线程创建的,主线程即为调用pthread_create()的线程。因此该线程组中所有线程的pid即为主线程的pid。

对于线程组中的线程来说,其task_struct结构中的tpid字段保存该线程组中主线程的pid,而pid字段则保存每个轻量级进程的本身的pid。对于普通的进程而言,tgid和pid是相同的。事实上,getpid()系统调用中返回的是进程的tgid而不是pid。

5.内核线程

上面所描述的都是用户态下的线程,而在内核中还有一种特殊的线程,称之为内核线程(Kernel Thread)。由于在内核中进程和线程不做区分,因此也可以将其称为内核进程。毫无疑问,内核线程在内核中也是通过task_struct结构来表示的。

内核线程和普通进程一样也是内核调度的实体,只不过他们有以下不同:

1).内核线程永远都运行在内核态,而不同进程既可以运行在用户态也可以运行在内核态。从另一个角度讲,内核线程只能之用大于PAGE_OFFSET(即3GB)的地址空间,而普通进程则可以使用整个4GB的地址空间。

2).内核线程只能调用内核函数,而普通进程必须通过系统调用才能使用内核函数。

 参考:

1. 深入理解Linux内核 第三版

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10 条评论

  1. lishuai说道:

    为什么我在GR中订阅的博客RSS都挤到一块了呢?

    [回复一下]

    edsionte 回复:

    @lishuai, 不好意思,这个问题不太清楚,可能是订阅系统不识别博客里的那些格式标记符吧。。您可以点击回到原地址查看。

    [回复一下]

  2. digdeep说道:

    写的不错。但是关键的一点没有说到:Linux多线程对多进程的到底有多大性能的提升?

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    edsionte 回复:

    @digdeep, 性能问题说实话我还真没有研究过。平日我们经常说到线程的性能比进程优,可事实上到底优在哪里很少能说清楚。

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  3. wuxx说道:

    倒数第二句,普通进程不是只有3G的空间吗?

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    edsionte 回复:

    @wuxx, 每个进程都有4G大小(32位)的虚拟地址空间。其中前3G属于用户空间,高1G属于内核空间。每个进程独享自己的用户空间,而所有进程共享内核空间。

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  4. hello-world说道:

    应该是tgid,而不是tpid吧

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    edsionte 回复:

    @hello-world, 对,失误。谢谢指正

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  5. kent说道:

    不错

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  6. 御宅暴君说道:

    学习了,谢谢分享。

    Linux 内核真不区分线程和进程啊。

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