进程和线程的区别 ( LINUX系统 )

提到进程和线程的区别，有句很经典的话：进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。那么它俩本质上是怎么区分的呢？
下面就让我们来看一下Linux下进程（process）和线程（thread）的本质区别。

一 进程（process）

首先看下《LKD》里对进程的定义，

A process is a program (object code stored on some media) in the midst of execution.

也就是处于运行状态的程序。除了程序代码，进程还包含很多其它资源，依然来自《LKD》里的定义，

They also include a set of resources such as open files and pending signals,
internal kernel data, processor state, a memory address space with one or more memory
mappings, one or more threads of execution, and a data section containing global variables.

ps：我们写程序时有时会加上打印输出，其实就是用的进程的资源—open files去输出的，也就是标准输出流句柄

从这可以看出进程就是正在执行的程序加上相关资源的一个集合体，

内核为每个进程生成一个进程描述符（process descriptor），其类型是struct task_struct。进程描述符是个很大的结构体，包含了进程所有相关的信息。

内核会把进程描述符放到一个叫task_list的双向循环链表里。（图片来自《LKD》）

这个task_list就是给CPU来调度的，可以说CPU调度的就是这些进程描述符。

二 线程（thread）

先看下《LKD》里线程的定义，

Threads of execution, often shortened to threads, are the objects of activity within the process. Each thread includes a unique program counter, process stack, and set of processor registers.

线程是进程里的活动对象。为什么这么说？因为我们都知道同一进程里的线程之间是可以直接共享资源的，不需要像进程间共享资源搞出很多方法，所以从外部来看线程是处于进程里运行的。

Linux内核为线程也生成进程描述符，这个进程描述符也会放到task_list里。这是linux线程的特别之处，并不区分线程和进程，因为两者都有进程描述符。

到这里，可能有点晕了，可以看下一节的图释。

三 解释

假设我们有个程序代码如下，

#include 

int main(void)
{
    printf("hello world\n");
    return 0;
}

编译完后运行，那么这个程序对应的进程示意图如下（蓝色部分表示与资源相关的成员，大部分是指针），

这段程序没有创建线程，只有一个进程描述符，进程描述符里与资源相关的成员会指向该进程所拥有的资源。

下面我们看一个创建线程的程序代码，

#include 
#include 
#include 


int share = 100;

void * thread_fn(void *arg)
{
    printf("hello %s: %d\n", __func__, share);
}

int main()
{

    pthread_t tid;
    int err;

    err = pthread_create(&tid, NULL, thread_fn, NULL); // 创建线程
    if (err != 0)
    {
        printf("Error: in pthread_create()\n");
        return 1;
    }

    printf("hello %s: %d\n", __func__, share);

    sleep(1);

    return 0;
}

输出如下，

运行时这个程序对应的进程示意图如下，

程序开始运行时linux会生成进程描述符1，运行过程中创建线程去执行thread_fn()，此时linux会生成进程描述符2。这两个进程描述符里与资源有关的成员都指向相同的资源，这就是线程间共享资源的原理。

对于没有创建线程的例子，也可以认为该进程里只包含一个线程，称为单线程进程，进程里的资源被这个单线程独享。

从全局来看，操作系统上一般会有多个程序在运行，反映到内核里，如下图所示

在task_list里存放进程描述符，有的属于单线程进程的，有的属于多线程进程里单个线程的。

对于内核来说，它分配资源时是按照进程来分配的，分配完资源后如果进程里创建了多个线程，那么多个线程间就共享相同的资源，向外表现为一个进程里多个线程在运行。而调度就是调度task_list里的一个个进程描述符，所以CPU调度的基本单位是线程，不是进程（单线程进程也可以视为独立线程）。

ps：从内核的视角来看，没有外面的红色虚线框，内核只负责调度单个的进程描述符，而不关心这个进程描述符属于谁的。

四 例子

每个进程都有自己独一无二的进程id号，存在进程描述符（也就是struct task_struct）里的pid成员里，

• pid就是进程id号，tgid是线程组id号（thread group）
• 对于单线程进程来说，进程描述符里的pid和tgid值相等
• 对于多线程进程来说，每个线程也有自己的pid，而其tgid则是和主线程的pid相等（程序开始运行时是个单线程进程，此时的这个线程就是主线程）

下面的代码展示线程的pid和tgid，

#include 
#include 
#include 
#include 


void * thread_fn(void *arg)
{
    printf("thread_fn() pid: %d, thread pid: %lu\n", getpid(), syscall(SYS_gettid));
}

int main()
{

    pthread_t tid;
    int err;

    err = pthread_create(&tid, NULL, thread_fn, NULL); // 创建线程
    if (err != 0)
    {
        printf("Error: in pthread_create()\n");
        return 1;
    }

    printf("main() pid: %d\n", getpid());

    sleep(1);

    return 0;
}

输出如下，

可以看出主线程里调用getpid()得到的是主线程的进程描述符里的pid值，而在执行thread_fn的线程里调用getpid()返回的则是该线程的进程描述符里的tgid值，这个值和主线程的pid是相等的。

想要查看线程自己本身的pid，需要使用syscall(SYS_gettid)函数调用，当然还有一些其它方法，可以看出线程自身也有pid，且与主线程的pid值不一样，这也证明了内核给每个线程都会分配一个进程描述符。

五 总结

只要抓住进程描述符和相关资源这2个概念，就很容易弄懂linux下进程和线程的区别了。（似乎叫线程描述符更合适点）

如果有写的不对的地方，希望能留言指正，谢谢阅读。