从内核角度看Linux 线程和进程的区别

矫情吗；* 2022-02-25 09:50 264阅读 0赞

多数人都会讲说线程和进程在内核中是相同的，没有严格地做区分。这样讲是没错了，但对于应用开发者来说，这样讲是有点笼统。本文将从内核角度，分析线程和进程之间的区别，希望能对这一块感兴趣的人提供借鉴意义。

# 1 数据结构 task\_struct #

Linux中无论是进程还是线程，只要是调度单元，都通过 struct **task\_struct**表示。这也是为什么讲说进程和线程在内核相同的原因。

struct **task\_struct**有保存有关线程/进程中的一切信息，主要包括有线程/进程状态、与其他线程/进程关系、虚拟内存相关、日志相关、线程/进程限制等。该结构体定义在include/linux/sched.h文件中，感兴趣可以详细阅读

那么，进程和线程在task\_struct结构体中是否有标识上的不同？

实际上，在struct task\_struct中并没有明确的标识（枚举类型），区分该task是线程还是进程，不过可以通过pid和tgid简单判断当前task是哪种类型。

在该结构体中如下段code所示，全局pid和tgid保存在task\_struct结构体中。pid\_t一般为int型，即可以同时使用![2^\{32\}][2_32]不同标识的id。

**pid**用于标识不同进程和线程。

**tgid**用于标识线程组id，在同一进程中的所有线程具有同一tgid。tgid值等于进程第一个线程（主线程）的pid值。接着以CLONE\_THREAD来调用clone建立的线程，都具有同样的tgid。(后文会详细描述创建过程)

**group\_leader** 线程组中的主线程的task\_struct指针。

struct task_struct {
    ...
        pid_t pid;
        pid_t tgid;
    ...
        struct *group_leader;
    }

那么除了tgid和group\_leadr是进程/线程的区别外，还有什么其他的区别么？

进程还是线程的创建都是由父进程/父线程调用系统调用接口实现的。创建的主要工作实际上就是创建task\_strcut结构体，并将该对象添加至工作队列中去。而线程和进程在创建时，通过CLONE\_THREAD flag的不同，而选择不同的方式共享父进程/父线程的资源，从而造成在用户空间所看到的进程和线程的不同。

# 2 线程/进程的创建 #

无论以何种方式创建线程/进程在Linux kernel最终都是调用do\_fork接口（定义在kernel/fork.c）

其函数原型为：

long do_fork(unsigned long clone_flags,
        unsigned long stack_start,
        unsigned long stack_size,
        int __user *parent_tidptr,
        int __user *child_tidptr)

*  clone\_flags是一个标志集合，用来指定控制复制过程的一些属性。最低字节指定了在子进程终止时被发给父进程的信号号码。其余的高位字节保存了各种常数。
 *  stack\_start是用户状态下栈的起始地址。
 *  stack\_size是用户状态下栈的大小。
 *  arent\_tidptr和child\_tidptr是指向用户空间中地址的两个指针，分别指向父子进程的PID。NPTL（Native Posix Threads Library）库的线程实现需要这两个参数。

do\_fork的代码流程图如下所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MzUxNDY1_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

上面流程特别判断了是否是vfork，该接口是vfork接口call下来，在子进程没有执行完前，父进程处于阻塞态。一般用于子进程直接调用execv时使用。因为子进程不需要copy父进程的资源从而减少do\_fork时的消耗，不过由于fork增加了写时复制机制，vfork也很少使用。这些不是这篇介绍的重点。

那么拿掉vfork的过程，do\_fork主要做了三件事，1 copy\_process 2 确定PID 3 wake\_up\_new\_task

wake\_up\_new\_task即是将新创建的线程/进程添加至调度程序的队列中

do\_fork主要的一部分工作集中在copy\_process中，线程与进程之间的区别也是在该接口中体现，接口的代码流程图如下所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MzUxNDY1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

当上层以pthread\_create接口call到kernel时，clone\_flag是有CLONE\_PTHREAD标识

但CLONE\_PTHREAD标识只在最后一个步骤（设置各个ID、进程关系）时体现：（current为当前进程/线程的task\_struct结构体 ，p为新创建的结构体对象）

if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
        p->group_leader = current->group_leader;
        p->tgid = current->tgid;
    } else {
        p->group_leader = p;
        p->tgid = p->pid;
    }

那么，以我们的理解来看，线程会共享信号、共享虚拟地址空间...又以什么体现呢？

去glibc查询了pthread\_create的实现，当call到kernel时的clone\_flag如下：

所以在创建线程时，clone\_flags有其他许多项共同构成，才让我们看出来最终线程与进程间的不同。这些flag主要体现在【分享/复制进程各个部分中】步骤。

这些CLONE\_abc的使用方法相似。在这些形如copy\_abc的接口中，通过判断该flag标识，决定对内核子系统资源是与父进程/线程公用还是新创建出来。可参考下图。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MzUxNDY1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

一开始父进程和子进程对于res\_abc指向同一个内容（通过dup\_task\_struct接口实现，子进程完全copy父进程），然后经过copy\_abc程序，当有CLONE\_abc标识时，父进程会共享资源，同时res\_abc的引用计数+1，当!CLONE\_abc时，会创建一个res\_abc的副本。

又去glibc查询了fork的clone\_flags

CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD

每个flag的实现原理基本一致，上文已讨论过，这里仅对具体的哪些资源造成了影响进行分析。

CLONE\_VM 为虚拟地址空间

所以子线程会共享父线程的虚拟地址空间（通过struct mm\_struct \*mm指向实例描述）,active\_mm当用户线程切换至内核线程时使用，这里不详述。

struct task_struct {
    ...
        struct mm_struct *mm;
        struct mm_struct *active_mm;
    ...
    }

CLONE\_FS struct fs\_struct \*fs 进程当前目录及工作目录

CLONE\_SIGHAND struct sighand\_struct \*sighand 信号及信号处理函数

# 3 ps -H 命令的显示 #

[2_32]: https://private.codecogs.com/gif.latex?2%5E%7B32%7D
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MzUxNDY1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220225/d94f7084f1db4e1fb622a0916c666017.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MzUxNDY1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220225/2b27b7bbdd8a4104b80f74fc057426fd.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MzUxNDY1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220225/ab97c59ce95a41e48c744960348f4683.png