【Linux】线程概念

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux——线程概念：

1. 线程的基本概念
2. 线程的优缺点
3. 线程与进程

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一，线程的基本概念

1. 基本概念

• 进程：进程 == 内核数据结构 + 代码和数据
  • 进程是承担分配系统资源的基本实体
• 线程：进程内部的一个执行分支
  • 在Linux下，线程就是轻量级的进程（但Windows不是，Windows有自己的实现方案）
  • 线程是CPU调度的基本单位（因为Linux下，线程是用进程模拟的，所以CPU的调度策略都可以用进程那一套！）
  • 线程这个说法是操作系统提供的（属于用户视角，但是对于Linux底层，线程就是轻量级进程）

2. 资源划分

• 创建一个进程：我们要创建task_struct，进程地址空间，页表…
• 但是对于一个线程，我们只需要创建task_struct + 资源划分
  • 对资源的划分，本质是对进程地址空间的划分（虚拟地址，就是资源的代表）
  • 一个执行流有多少资源，本质上就是：在合法的的情况下，拥有的虚拟地址
  • 而函数天然就是代码和数据的集合，所以我们通常让线程执行进程中不同的函数（把函数分给线程，就完成了资源的划分）
• 多个线程的task_struct指向同一个进程的进程地址空间

• 进程强调独占，部分资源共享（比如通信的时候）
• 线程强调共享（因为线程都在同一个进程内），部分资源独占
• 资源的划分和共享本质是对虚拟地址的划分和共享

3. 线程资源划分与共享

• 线程进行资源划分：本质是划分地址空间，获得一定范围的合法虚拟地址。再本质：就是在划分页表
• 线程进行资源共享：本质是对地址空间的共享，再本质：就是对页表条目的共享

二，线程的优缺点

以下优缺点是相较于进程的。

1. 优点

• 创建⼀个新线程的代价要比创建⼀个新进程小得多
• 切换方面，线程切换的代价也要更小
  • 切进程：要切硬件上下文，要切CR3的页目录…
  • 切线程：地址空间还是一样的，只用切task_struct，CR3也不用切…
  • 还有：进程缓存机制Cache和TLB
  • 当硬件上下文切换的时候会扰乱进程的缓存机制，对于进程，因为直接换了，所以Cache和TLB的内容都无效了。但是对于线程，还在同一个进程内，Cache和TLB的失效面积小。
• 线程占用的资源要比进程少很
• 能充分利用多处理器的可并行数量
• 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
• 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
• 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

2. 缺点

但是代码写的好，处理的好，都没有下面的问题

• 性能损失
  • 当线程用于计算密集型，则线程数量不要大于CPU的数量。因为，计算密集型的线程往往没办法和其他线程共用CPU。如果太多线程，增加了额外的同步和调度开销（比如切线程上）
• 健壮性降低
  • 不小心给一个线程共享了不属于它的东西，然后还被修改了，就会有问题
  • 线程如果有错（异常），会直接影响整个进程
• 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
• 代码编写更难

3. 线程的异常

• 单个线程崩溃，导致整个进程崩溃，其他线程也退出

4. 线程的用途

• 提高CPU密集型程序的执行效率
• 提高IO密集型程序的用户体验

三，线程与进程

1. 进程和线程

• 进程是资源分配的基本单位
• 线程是调度的基本单位
• 线程共享进程数据，但也拥有⾃⼰的⼀部分数据:
• 线程ID
• ⼀组寄存器，存放线程上下文数据
• 独立的栈结构
• errno
• 信号屏蔽字
• 调度优先级

2. 进程的多个线程共享

同⼀地址空间，因此Text Segment、Data Segment都是共享的，如果定义⼀个函数，在各线程中都可以调用，如果定义⼀个全局变量,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

线程和进程的关系：

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