【Linux】线程概念
文章目录
- 线程概念
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- 什么是线程
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- 如何理解之前的进程
- 站在内核角度来理解进程
- 站在CPU的角度,能否识别当前调度的task_struct是进程还是线程
- Linux下的线程是用进程模拟的
- 线程的优点
- 线程的缺点
- 线程异常
- 线程用途
- Linux进程VS线程
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- 进程的多个线程共享
- 进程和线程的关系
线程概念
什么是线程
- 在一个程序里的一个执行路线就叫做线程（thread）, 更准确的定义是：线程是“一个进程内部的控制序列”
- 一切进程至少都有一个执行线程
- 线程在进程内部运行,本质是在进程地址空间内运行
- 在Linux系统中,在CPU眼中,看到的PCB都要比传统的进程更轻量化
- 透过进程虚拟地址空间,可以看到进程的大部分资源,将进程资源合理分配给每个执行流,就形成了线程执行流
需要注意的是,一个进程的创建实际上会创建进程控制块 (task_struct),进程地址空间（mm_struct),以及页表的创建**（通过页表建立虚拟地址和物理地址的映射)**
所有进程在运行时具有独立性==>每个进程都有自己独立的进程地址空间和独立的页表,但是当我们创建线程的时候:只创建task_struct,并要求创建出来的task_struct和父task_struct共享进程地址空间和页表
此时我们创建的实际上就是3个线程
1)每一个线程都是当前进程里面的一个执行流,也就是我们常说的 线程是进程内部的一个执行分支
2)线程在进程内部运行,本质就是线程在进程地址空间内运行,也就是说曾经这个进程申请的所有资源,几乎都是被所有线程共享的 创建线程比创建一个原始进程所做的工作更轻量化了
如何理解之前的进程
所谓的进程并不是通过task_struct来衡量的,除了task_struct之外,一个进程还要有进程地址空间、文件、信号等等,合起来称之为一个进程
| 概念 | 对应解释 |
|---|---|
| 线程在进程的内部 | 线程是在进程的地址空间内运行的 |
| 线程是进程的执行分支 | CPU如今调度的PCB指向进程的部分代码和数据,一个进程可以分为多个执行流 |
| 线程是进程的一部分 | 进程指的是线程所有资源的总和,多个线程组成了进程 |
| 线程粒度更细更轻量化 | 线程相当于轻量版的进程,拥有单个PCB和部分的地址空间 |
站在内核角度来理解进程
承担分配系统资源的基本实体,叫做进程. 当我们创建进程时是创建一个task_struct、创建地址空间、维护页表,然后在物理内存当中开辟空间、构建映射,打开进程默认打开的相关文件、注册信号对应的处理方案等等
我们之前接触到的进程都只有一个task_struct,也就是该进程内部只有一个执行流,即单执行流进程,内部有多个执行流的进程叫做多执行流进程
站在CPU的角度,能否识别当前调度的task_struct是进程还是线程
不能！ 也不需要,因为CPU只关心一个一个的独立执行流, 无论进程内部只有一个执行流还是有多个执行流,CPU都是以task_struct为单位进行调度的
Linux下的线程是用进程模拟的
操作系统中存在大量的进程,一个进程内又存在一个或多个线程,因此线程的数量一定比进程的数量多,当线程的数量足够多的时候,很明显线程的执行粒度要比进程更细
如果要支持真的线程:就需要对这些线程进行管理
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1)比如说创建线程、终止线程、调度线程、切换线程、给线程分配资源、释放资源以及回收资源等等
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2)如果要支持真的线程一定会提高设计操作系统的复杂程度
描述线程的控制块和描述进程的控制块是类似的,因此Linux并没有重新为线程设计数据结构,而是直接复用了进程控制块,所以说Linux中的所有执行流都叫做轻量级进程
理解:为什么我们修改常量字符串的时候会出错呢?
当我们要修改一个字符串常量时,虚拟地址必须经过页表映射找到对应的物理内存,而在查表过程中发现其权限是只读的,此时你要对其进行修改就会在MMU内部触发硬件错误,操作系统在识别到是哪一个进程导致的之后,就会给该进程发送信号对其进行终止
线程的优点
- 创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
- 与进程之间的切换相比,线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
- 线程占用的资源要比进程少很多
- 能充分利用多处理器的可并行数量
- 在等待慢速IO操作结束的同时,程序可执行其他的计算任务
- 计算密集型应用,为了能在多处理器系统上运行,将计算分解到多个线程中实现
- IO密集型应用,为了提高性能,将IO操作重叠,线程可以同时等待不同的IO操作
什么是计算密集型和IO密集型呢?
- 计算密集型 ->执行流的大部分任务,主要以计算为主.比如加密解密、大数据查找
- IO密集型 ->执行流的大部分任务,主要以IO为主.比如刷磁盘、访问数据库、访问网络等
线程的缺点
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性能损失： 一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与其他线程共享同一个处理器 ,如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多,那么可能会有较大的性能损失,这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销,而可用的资源不变
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健壮性降低： 编写多线程需要更全面更深入的考虑,在一个多线程程序里,因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的,换句话说,线程之间是缺乏保护的
- 例如:一个线程出现了崩溃,整个进程也跟着崩溃了
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缺乏访问控制： 进程是访问控制的基本粒度,在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响
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编程难度提高： 编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多
线程异常
- 单个线程如果出现除零、野指针等问题导致线程崩溃,进程也会随着崩溃
- 线程是进程的执行分支,线程出异常,就类似进程出异常,进而触发信号机制,终止进程,进程终止,该进程内的所有线程也就随即退出
线程用途
- 合理的使用多线程,能提高CPU密集型程序的执行效率
- 合理的使用多线程,能提高IO密集型程序的用户体验
- （如生活中我们一边写代码一边下载开发工具,就是多线程运行的一种表现）
Linux进程VS线程
进程是承担分配系统资源的基本实体,线程是调度的基本单位
线程共享进程数据,但也拥有自己的一部分数据: 比如 一组寄存器, 栈, errno, 信号屏蔽字 , 调度优先级
进程的多个线程共享
因为是在同一个地址空间,因此所谓的代码段（Text Segment）、数据段（Data Segment）都是共享的
1)如果定义一个函数,在各线程中都可以调用 2)如果定义一个全局变量,在各线程中都可以访问到
除此之外,各线程还共享以下进程资源和环境
- 文件描述符表（进程打开一个文件后,其他线程也能够看到）
- 每种信号的处理方式（SIG_IGN、SIG_DFL或者自定义的信号处理函数）
- 当前工作目录（cwd）
- 用户ID和组ID
进程和线程的关系
如图所示:
关于程序替换
程序替换是进程的事情,多线程当中所有的代码和数据是被所有线程共享的,如果其中一个线程执行了程序替换,直接就影响了其它线程,所以很少让线程进行程序替换