【Linux】初识线程-CSDN博客

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前言

在很多教科书上是这么定义线程的：

线程是进程的一个执行分支。
线程执行粒度比进程更细。
线程就是进程内部的一个执行流。
…

当初学者看到以上定义，我想他/她的内心是非常崩溃的。那么这篇博客将由浅入深带领大家了解进程的概念等相关知识。

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一、如何理解Linux中的线程

理解线程之前需要先简单回顾一下进程。

程序运行后，该程序的相关代码和数据会被加载到内存中，然后操作系统为其创建对应的数据结构如进程控制块task_struct，由于进程具有独立性，操作系统还会为进程创建进程地址空间mm_struct，并通过页表 + MMU机制建立虚拟地址和物理地址之间的映射关系。

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如上，进程要访问代码和数据，必须通过其进程地址空间和页表来完成。换句话说，进程所能看到的资源是通过地址空间来确定的。因此，地址空间可以被视为进程的资源窗口。

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由于进程具有独立性，即使是父子进程，操作系统也会为子进程创建独立的进程控制块，并复制父进程的地址空间的映射关系，以实现父子资源共享。需要注意的是，如果子进程尝试修改父进程的共享资源，如代码段，操作系统会启动写时拷贝机制，为修改的值分配新的物理内存空间，并更新页表的映射关系。

总之，当创建进程时，进程控制块、虚拟地址空间和页表映射等是必不可少的组成部分。所以创建一个进程的成本非常高。

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为了避免这种繁琐的操作，引入了线程的概念。之前我们一直认为，一个task_struct对应一个进程地址空间，但其实一个进程地址空间可以对应很多个task_struct。因此所谓线程其实就是：仅需创建task_struct，而无需为其单独创建进程地址空间和页表等。相反，该task_struct可以与已有进程共享其进程地址空间，即线程共享进程的资源窗口，即线程本质在进程的地址空间内运行。

那么现在就可以理解【前言】中线程相关的概念：

线程的执行粒度比主进程更细。什么是更细呢？进程是整个程序的一次执行过程，而线程通常只执行进程代码的一部分。所以，线程可以看作是整个进程的执行分支。
执行代码（任务）时，我们将其称为执行流。将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流。并且任何执行流执行都要有资源，即线程要在进程的地址空间内运行。
线程的调度成本更低。无论是线程还是进程的上下文切换，都涉及将值加载到CPU的寄存器中，以便新的执行体可以继续执行。这一步骤包括将程序计数器PC等寄存器的值设置为新线程或进程上次中断的位置，以便程序可以继续执行。
- 如果切换的是进程而非线程，操作系统可能还需要切换页表，以确保新进程可以访问正确的地址空间，又或者是更新文件描述符表等进程相关的资源状态等。
- 而对于线程来说，因为线程共享同一进程的地址空间和大部分资源（如打开的文件等），因此在切换时不需要切换这些资源，只需要切换线程的私有状态即可。