Linux 内核：线程的实现

在linux中的线程是轻量级线程（Light-Weight-process，LWP）

线程概念

线程分类

• 用户级线程
• 内核级线程，没有用户空间，完全工作在内核中（下图中没有[]的就是用户级线程）

Linux线程特点

• Linux内核不区分进程和线程，PCB和TCB本质都是task_struct实例
• task_struct包含pid和tgid，无论进程还是线程它们的pid都是独一无二的
• 一个进程包含一个线程组，线程组号=进程的pid=所有线程的tgid(包括主线程)
• 我们使用ps和getpid方法获取的pid其实就是tgid

对下图用户看到的PID其实就是pgid，而LWP其实是pid

pid用于调度，pgid用于资源管理

线程实现

创建进程我们使用fork，创建线程的时候可以使用new thread，逻辑层的变化大概如下

下面分析物理层的变化
看下函数的调用关系，kernel_thread是创建内核级线程的函数，它们的底层都是通过调用clone函数来实现功能的，区别是flag参数传的不太，下面看下clone函数的函数签名
int clone(int (*fn)(void *), void *stack, int flags, void *arg, ... /* pid_t *parent_tid, void *tls, pid_t *child_tid */ );

我挑了几个flag介绍一下，别的你可以执行：man clone自个看

• CLONE_VM:标志在进程间共享地址空间，虚拟内存
• CLONE_FS：标志进程间共享文件系统信息
• CLONE_FILES：标志在进程间共享打开的文件
• CLONE_SIGHAND：标志在进程间共享信号处理程序
• …

创建进程时上述几个都不设置，创建线程时上述都设置，所以说创建线程的时候流程其实和进程是一样的，只不过共享的资源不同，所以说本质上来说内核不区分什么进程/线程，都会当作进程处理。
说到这里了不知道你有没有意识到，进程和线程就好像文件系统中的硬链接文件一样，其实相同的逻辑也可以带到C++中的shared_ptr智能指针，这些逻辑都是类似的，线程对进程资源维持一个计数，当计数为0时释放进程。

注意：这些资源都是借助指针指向的如果需要共享的话只需要浅拷贝，主线程和其它线程的区别只有运行开始的时候起始位置不同

线程拓展

线程是作为栈帧存在于进程的栈中的，对一块内存它的栈指针和代码区运行位置的指针是唯一的，线程上下文切换的过程中会保存/恢复这两个指针的位置从而让线程觉得自己可以像进程一样工作，

线程模型

• 多对一模型（用户级线程），现在不用了，就是在用户态维持线程的TCB，因此在内核态他会认为这是多线程是一个进程，简单间理解的话就是用户模拟多线程自己调度，这个东西有点像协程，好处是调度灵活，上下文切换小。
  问题：
• • 一个线程阻塞，所有线程阻塞
• • 在多核系统中，多线程无法并行
• • 只有一个内核线程在内核中
• 一对一模型（内核级线程），TCB由内核去管理，真正将线程暴露在内核中，使得并发性更好可以充分的利用多核CPU的资源（windows/linux/…主流操作系统采用这种模型）
  问题：
• • 系统开销大，调度压力增大，调度自由度低
• • 上下文切换变大

注意：内核级线程和内核线程是两个东西，内核级强调这种模式下的每一个线程由内核直接调度/控制，内核线程是内核为了满足操作系统并发性而独立维护的线程

参考：
【Linux系列】深入理解task_struct结构体