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【Linux系统】线程：认识线程、线程与进程统一理解

news 来源：原创 2025/5/12 6:20:46

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一、更新认知

之前的认知

进程：一个执行起来的程序。进程 = 内核数据结构 + 代码和数据
线程：执行流，执行粒度比进程要更细。是进程内部的一个执行分值

更新认识：

a. 进程是承担分配系统资源的基本实体
b. 线程是OS调度的基本单位

二、Linux下线程的概念和实现

线程是进程内部的一个执行分支，说明一个进程就可能有多个线程，这样OS就必须将线程管理起来，Linux系统管理线程会通过先描述，再组织的方式，先将线程描述成一个结构 struct threadctlblock ，再对该结构进行组织，达到对系统内线程的管理组织。

线程结构也是 task_struct ？

实际上，在 Linux系统中，没有真正的 struct threadctlblock 的 TCB 结构，Linux下的线程是用进程模拟实现的！

线程也使用进程的 task_struct 来描述，这样就无需为线程单独创建一套线程的管理机制，毕竟线程和进程过于相像，用进程模拟线程，大大减少了操作系统内核设计的难度，复用了历史代码，增加代码可维护性

减少了许多设计工作，如：线程创建、线程队列链表组织…、线程切换、线程….

Linux 这一点设计是非常厉害巧妙的，因为其他一些操作系统如 windows 是真的有线程的，内核代码和管理复杂不少！不像 Linux 的伪线程

进程内多线程共用进程资源

一个进程 task_struct 内部还有多个用于描述线程的 task_struct 。

进程 task_struct 和线程 task_struct 同属于一个PCB结构，他们共享同一个进程地址空间，共享进程内的资源。

比如划分代码区，各个线程负责执行代码的不同部分：

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三、进程vs线程概念统一

进一步理解

重新理解进程和线程

进程：task_struct + 地址空间 + 页表 + 代码和数据

线程：可以暂时简单理解为一个task_struct（后续会进行更详细的解释）。

进程由PCB描述，每个进程中可能存在多个这样的控制块，它们共享同一个地址空间，分配给不同的任务使用，这便是我们所说的线程。

所以，线程实际上是一个PCB加上代码和数据（还有一些相关数据结构将在后面讨论）。

单线程 vs 多线程

在之前的学习中，每个进程就是单独的一个执行流，只有一个执行分支。这实际上是内部只有一个线程的单线程结构！

当前我们学习了多线程的概念，可以理解到只有一个执行流的进程，是多进程的特殊情况，即单线程结构

这就将进程和线程的概念统一起来了

进程与资源管理

进程作为系统资源分配的基本实体，当我们创建一个进程时，需要为其准备地址空间、PCB、页表等，这些都需要占用内存并申请系统资源。因此，进程承担了分配系统资源的责任。相反，线程无需单独申请系统资源，因为它们依赖于进程已经准备好的资源。线程更像是一个个执行流，负责拿着进程申请的资源去执行各自的程序段。

因此，线程只需划分并使用需要资源（执行程序段所需的资源），而进程才是需要申请系统资源

CPU视角下的进程与线程

从CPU的角度来看，Linux将执行流统一称为轻量级进程(LWP: Lightweight Process)。一个进程由多个轻量级进程组成。然而，在Linux中并没有真正意义上的线程存在；所谓的线程实际上是通过LWP模拟实现的。

轻量级进程是在 UNIX 系统中的一种进程模型，用于支持多线程编程。LWP 提供了一种比传统进程更轻便的方式来创建和管理并发执行的任务。

在传统的 UNIX 系统中，进程是独立运行的基本单位，每个进程都有自己的地址空间和其他资源。而 LWP 则共享一个进程的地址空间和其他资源，因此它们之间的切换开销较小，更适合于需要大量并发任务的应用场景。

LWP 与线程的关系密切，实际上，LWP 就是线程在操作系统中的实际表示形式之一。在某些操作系统中，如 Solaris，LWP 是线程调度的基础，而在其他操作系统中，如 Linux，LWP 可能被隐藏起来，由操作系统内部使用。

总之，LWP 是一种轻量级的进程模型，旨在提供高效的并发执行能力，适用于需要大量并发任务的应用场景。

通俗理解进程和线程

这个世界是一个巨大的操作系统和资源库，我们每个家庭都是一个个进程，作为承担世界分配资源的基本实体（每个家庭都有一定的租房地、生活空间….等资源），而家庭内的每个人都是一个个线程，每个人都有自己需要做的事：如爷爷奶奶早起公园散步锻炼、爸爸妈妈工作赚钱、你和兄弟姐妹上学学习….

每个人做事的最终目的都是为了家庭，为了提高家庭幸福而努力，即进程内的每个线程做着不同的任务，最终目的都是为了完成进程的整个大任务

认识一下线程：代码创建

我们写一些代码来创建一个线程来见识一下（仅为了了解，暂时还没开始讲代码）

创建线程的函数：

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线程相关函数并不是系统调用，而是有一个单独的线程库，编译含有线程创建等函数的程序需要主动连接线程库，线程库是一种动态库

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编译时加上链接线程库：

g++ -o testpthread testpthread.cc -lpthread

代码如下

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void *run(void *args)
{while (true){std::cout << "I am new thread" << '\n';sleep(1);}
}int main()
{// 创建新线程pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, run, (void *)"thread-1");// 主线程while (true){std::cout << "I am main thread" << '\n';sleep(1);}return 0;
}

运行结果如下：运行一个程序，有两个执行流打印语句！

在这里插入图片描述

代码：打印进程 pid

这些执行流（线程）都是同属于一个进程的，打印出来的进程pid都是一样的！

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>void *run(void *args)
{while (true){std::cout << "I am new thread" << '\n';std::cout << "pid : " << getpid() << '\n';   sleep(1);}
}int main()
{std::cout << "pid : " << getpid() << '\n';   // 创建新线程pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, run, (void *)"thread-1");// 主线程while (true){std::cout << "I am main thread" << '\n';std::cout << "pid : " << getpid() << '\n';   sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述

上述内容讲解了 LWP 轻量级进程的概念，下面我们见识一下系统层面运行起来的轻量级进程！

ps axj # 这是查询进程的
ps -aL # 这是查询轻量级进程的

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其中：pid 一样，LWP 不同

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LWP 和 pid 一样的是主线程

CPU区分线程（LWP），即区分执行流的唯一性是以 LWP 号为基准的

CPU真实调度执行流是用 LWP 号

而我们以前学习的说 CPU 用 pid 作为调度，也没错

之前学到进程都是单执行流单线程的，pid = lwp

因此实际上，进程 task_struct 内部有 pid 和 LWP 两种字段，就是为了兼容 Linux 模拟实现线程的情况

四、分页式存储管理

我们通过这篇博客认识和理解一下分页式存储管理系统：【Linux系统】分页式存储管理-CSDN博客

五、进程划分资源给线程

如何理解？如何做到？

逐步引入

首先被划分的资源肯定有代码区，通过划分代码给不同的线程执行？

其次这些划分有没有必要刻意的划分？

根据之前学过的线程创建：pthread_create(..., ..., run, ...)

线程创建出来就会去执行这个 run 函数，这意味着无论创建出来多少个线程都是会通过这些 run 的函数指针的指引找到并执行对应的函数

真相浮出

这些 run 函数都是有自己在虚拟地址空间中的虚拟地址的，我们没必要刻意的划分虚拟地址空间的代码给不同线程执行，因此当线程创建出来时，就已经根据指令为不同线程提供了对应的函数地址，线程只需根据该地址就能找到自己负责的那部分！

每个函数都是一个代码块部分，只要拥有该函数的虚拟地址，就等同于拥有该函数所有代码指令，即该代码块部分的虚拟地址。执行程序时，每个线程都查询不同部分的页表执行代码，不就完成了逻辑上对代码的划分吗！！

总的来说，CPU调度一个 LWP ，只需给他一个函数的入口地址，CPU就能讲该执行流调度运行起来

六、拓展：如何理解写时拷贝？

可以看这篇博客：【Linux系统】如何理解写时拷贝？一次拷贝4KB不浪费？-CSDN博客

【Linux系统】线程：认识线程、线程与进程统一理解

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