【Linux】线程

前言

在一个进程内部，可能有多个执行流，而在多执行流下，多个执行流共享了进程的地址空间，我们把“一个程序内部的控制序列”叫做线程

一. 进程的概念

线程是进程内部的一个执行流，是一个执行分支，执行粒度比进程更细，调度成本更低

我们所熟知的进程是这样的

操作系统创建task_struct来管理一个进程，进程有自己的代码，数据；在内核中，有相应 pid 的进程结构体维护

而线程，是轻量级进程，为什么说线程的执行粒度比进程更细呢。因为线程也同进程一样拥有task_struct结构体，但是其代码和数据，是从进程中分配而来的。

多个PCB就是多个线程，而进程是所有线程的集合+虚拟地址空间+页表+代码+数据，是承担分配资源系统的实体
所以线程的执行粒度比进程更细，因为其执行进程的一部分代码

二. 线程的优点

• 创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
  首先，新创建一个线程，只要创建一个PCB结构体就好
  而创建一个新进程，比如子进程，如果发生写时拷贝，那么所有的PCB，虚拟地址空间，页表都要重新创建，映射物理地址。
  所以线程的创建比进程创建代价小很多

• 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
  在CPU中，有运算器，控制器，寄存器（可见/不可见），MMU，cache（高速缓存）L1，L2，L3
  进程的加载其实需要加载到高速缓存中，一旦切换到新进程，那么高速缓存的所有相关的数据都将失效，这个消耗是很高的。
  而线程的切换，只需要更改执行的PCB就好了

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• 线程占用的资源要比进程少很多
  因为线程只有一个PCB实体，所以占用更少

• 能充分利用多处理器的可并行数量（这点进程和线程都可以，差异不大）

• 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（二者都可以）

• 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
  计算密集型应用：加密解密，文件压缩和解压等与算法有关的，占用CPU资源的 一般进程/线程的个数，和CPU的个数/核数一致

• 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。
  I/O密集型应用：下载，I/O主要消耗I/O资源，磁盘的I/O，网络带宽等

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下图是内核视角下的进程和线程（轻量级进程）

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上述讲述的是进程的概念性理论，具体不同操作系统对线程的实现不同
在Windows操作系统中，就有真正的线程，其结构体和进程不同，进程是PCB，线程是TCB（线程控制块），属于进程PCB，调度和进程不同。但是这样的设计注定结构更为的复杂
而Linux内核对线程的设计则有所不同，因为线程有很多和进程相似相同的结构，所以Linux，复用了PCB结构体，用PCB模拟线程的TCB。所以Linux没有真正意义上的线程，而是用进程方案模拟的线程

三. 线程的缺点

• 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其他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。

即线程创建的个数需要适当

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• 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。

线程出现问题，可能会对整个进程产生影响

• 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

四. 进程的资源

进程是分配资源的实体
线程是调度的基本单位，在Linux中，没有真正的线程，只有进程模拟的轻量级进程，其实只是一个pcb结构体，然后分得进程的部分代码。
进程的多个线程共享同一地址空间，因此Text Segment（代码）、Data Segment（数据）都是共享的，如果定义一个函数，或者一个全局变量，那么其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

但也拥有一些属于自己的资源

线程ID
一组寄存器
栈
errno
信号屏蔽字
调度优先级

寄存器是保存执行的上下级代码，表明线程也是动态切换的。
栈区别于虚拟地址空间的栈，线程的栈是该线程存储自己创建的数据的，不属于共享数据。

结束语

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