Linux线程概念
文章目录
- 1. 线程概念
- 1.1 什么是线程
- 1.2 Linux的进程
- 1.3 重新定义进程和线程
- 1.4 重谈地址空间
- 1.5 Linux线程周边概念
- 1.5.1 线程 VS 进程
- 1.5.2 线程的优点缺点
- 1.5.3 线程的异常和用途
1. 线程概念
1.1 什么是线程
线程：是进程内的一个执行分支。线程的执行粒度要比进程细
1.2 Linux的进程
看上图，我们把那一个一个的task_struct称为执行流。第一个进程创建的线程称为主线程，随后被创建的线程称为次线程
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在Linux中，线程在进程“内部”执行，线程在进程的地址空间内运行(为什么?)
因为任何执行流要执行，都要有资源，而地址空间是进程的资源窗口
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在Linux中，什么叫做线程的执行粒度要比进程要更细?
线程执行进程代码的一部分
线程一多，OS也需要进行管理，先描述，在组织。实际上，在Window上，不仅有
struct pcb也有struct tcb(thread control block)。
而在Linux上，直接复用了进程数据结构和管理算法，即使用struct task_struct来模拟线程。所以我们会说：Linux上没有真正意义上的线程
而是使用“进程”（的内核数据结构）来模拟线程。所以Linux中的线程一般叫做轻量级的进程
1.3 重新定义进程和线程
之前理解的进程：进程 = 内核数据结构（task_struct）+ 代码和数据
- 什么叫做线程? 我们认为，线程操作系统调度的基本单位！
- 重新理解进程? Linux内核观点：进程是承担分配系统资源的基本实体，即操作系统分配资源，是以进程为单位进行分配的。线程是进程内部的执行流资源
1.4 重谈地址空间
如何理解资源分配给线程：线程分配资源的本质，就是分配地址空间范围。
相关概念:
- “页框”（Page Frame）和"页帧"（Page Frame）通常是指相同的概念，只是不同的文献或资料中可能使用不同的术语。它们都指的是物理内存中的一个固定大小的单元，这个单元是内存分页管理中的最小分配单位。（通常是4KB、2MB或1GB等大小，这是由操作系统的内存管理单元（MMU）和处理器的内存分页机制决定的）这里使用4KB，4*2^10 Byte = 2^12 Byte
- CR3 寄存器在 x86 体系结构中用于存储当前正在使用的页目录表的物理地址，这是进行虚拟内存管理时的关键信息。CR2寄存器储存的是引起缺页中断异常的地址
一个二级页表可以映射4MB，一共有1024个二级页表，可以映射1024*4MB=4GB。
一个二级页表的大小是4KB，一共有1024个二级页表，页表大小是1024*4KB=4MB。二级页表在大部分情况下都是不全的，但必须要有页目录
1.5 Linux线程周边概念
1.5.1 线程 VS 进程
- 线程比进程更加轻量化
a. 创建和释放更加轻量化（生死，创建线程只需要创建pcb。创建进程需要pcb，地址空间，页表，加载到内存，构建映射关系，信号的三张表，文件描述符表……。释放同理）
b. 切换更加轻量化（运行，线程切换时不需要切换页表，地址空间，只是局部在切换，所以效率更高。cpu中的cache在运行一个进程中的多个线程时，虽然不同进程的上下文在一直切换，但是chche缓存中的热数据（经常被访问的数据）更新更少，因为进程中的很多数据是多个线程共享的- 进程是资源分配的基本单位
- 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，如 线程ID、一组寄存器（线程有独立的的上下文）、栈（独立的栈结构保证了不同线程运行时不会出现执行流错乱的问题）、errno、信号屏蔽字、调度优先级……
- 进程的多个线程共享 同一地址空间,因此Text Segment、Data Segment都是共享的, 如果定义一个函数, 在各线程中都可以调用, 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 、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 、用户id和组id
进程和线程的关系如下图：
1.5.2 线程的优点缺点
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I/O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
- I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作
缺点：
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共它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
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
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
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
1.5.3 线程的异常和用途
线程异常：
- 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，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）