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进程与线程

2025年8月25日
#操作系统 #思考碎记 · 3 min · 1203 字

在早期操作系统 Unix 中，只有 进程 作为最小调度单位。
但进程过重，资源开销大，于是引出了 线程。 而后进程作为资源分配的基本单位，线程则作为 CPU 调度的基本单位

线程更轻盈，可以称它为 进程中的进程，或者说 轻量级进程。

线程本质

在Linux中，线程就是共享内存的进程，通过 clone() 的 flag 区分。

不妨看看精简源码 
//通过 clone() / fork() / pthread_create() 的返回值和 PID 可以区分进程与线程：
//线程返回 0（表示是子线程），进程返回新 PID，失败返回 -1

// ========== 用户态 ==========
int pthread_create(...) {
    return clone(start_routine, stack,
                 CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES |
                 CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD,
                 arg);
}

// ========== 内核态 ==========
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long flags, unsigned long newsp,
                int __user *parent_tidptr,
                unsigned long tls,
                int __user *child_tidptr)
{
    return _do_fork(flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr, tls);
}

long _do_fork(unsigned long flags, unsigned long stack, ...) {
    struct task_struct *p;
    p = copy_process(flags, stack, ...); // 复制/共享资源
    wake_up_new_task(p);                 // 放入调度器
    return pid;
}

static struct task_struct *copy_process(unsigned long flags, ...) {
    struct task_struct *p = dup_task_struct(current);
    if (!(flags & CLONE_VM))
        p->mm = dup_mm(current->mm);   // 独立地址空间 => 进程
    else
        p->mm = current->mm;           // 共享地址空间 => 线程
    // 文件表、信号处理器等也可选择共享
    ...
    return p;
}

两棵树：关系与调度

现在，不论进程还是线程，我们将其称为 Task，由 task_struct 来表示。

Linux 内核中，进程与线程被组织在两棵树中：

  1. 家族树

    • 任务关系树，用于存储 task_struct，建立父子关系、兄弟关系。
    • 它是一棵普通树，主要为调度树提供便利。

  2. 调度树

    • 也称为 CFS 红黑树，可以看作一个队列。
    • 为了公平调度，引入虚拟时间 vruntime： 
      vruntime += 实际运行时间 × (NICE_0_LOAD / 任务权重)
    • 树的最左节点，总是当前 vruntime 最小的任务。

阻塞与唤醒：

  • 如果任务空转，死循环自旋，会浪费 CPU。
  • 解决办法：
    • 阻塞：任务主动移出红黑树。
    • 唤醒：任务重新加入红黑树。
    • 阻塞不是消极等待，而是积极地减轻调度树的负担。

同步与竞争：如何协调任务

当多个任务同时访问共享资源时，需要同步机制来避免冲突：

原语 行为 特点
mutex 抢到锁的任务执行；未抢到的被移出调度树 常见互斥锁
semaphore 控制并发数量，超过上限的任务被阻塞 适合控制资源池
spinlock 不离开调度树，自旋等待 用于内核关键路径
futex 用户态先尝试原子操作，失败才陷入内核 减少系统调用开销

创建与写时拷贝

任务的创建主要通过 clone() 和 fork() 完成。
其中 fork() 会创建一个新进程，并与父进程共享以下资源：

  • 相同的代码段
  • 几乎一致的数据段、堆、栈
  • 相同的文件描述符、信号处理器等

这种直接复制显然代价过大，因此引入 写时拷贝（Copy-On-Write, COW）。

写时拷贝机制

  • fork 初始阶段，父子进程完全共享页表。
  • 子进程页表映射到与父进程相同的物理地址，页表标记为 只读，并打上 COW 标志。
  • 当父进程或线程尝试写入共享页时：
    1. CPU 检查权限，发现写只读页 → 触发 Page Fault
    2. 内核处理中断，检测到 COW 标志
    3. 分配新物理页，将原内容复制过去
    4. 修改页表项，映射新地址，并允许写入
    5. 继续执行写操作

总结：

  • 第一次写入才会触发复制，大幅节省内存，加快 fork。
  • 若频繁写入，性能可能退化；且初次写入必然有额外开销。

调用链

fork() -> exec() -> do_page_fault()
   -> { readOnly + Cow }
   -> alloc_page
   -> copy_user_page
   -> ptep_set_wrprotect()
   -> ptep_clear_flush

小结

总的来说，进程与线程在 Linux 内核中都以 task_struct 表示，区别只在资源共享的范围。它们通过调度器获得公平的 CPU 时间，通过同步原语避免冲突，通过 COW 等机制降低资源开销。进程与线程的博弈与协作，共同构成了现代操作系统运行的基石。

操作系统思考碎记