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【Linux】线程概念与控制（1）

news 2025/10/8 14:11:47

1. Linux 线程概念

线程是进程内的执行流，是操作系统调度的基本单位。在 Linux 中，线程与进程深度融合（通过 “轻量级进程” 实现），共享进程的地址空间、文件描述符等资源，同时具备独立的执行上下文（如寄存器、栈）。本节从内存管理、线程特性、优缺点等角度，解析 Linux 线程的本质。

1-1 什么是线程

线程是进程内部的控制序列，核心特点：

进程与线程的关系：进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。一个进程至少包含一个线程（主线程）。
运行空间：线程在进程的地址空间内运行，共享进程的代码段、数据段、堆、文件描述符等资源。
轻量级 PCB：Linux 中，线程以 “轻量级进程（LWP）” 形式存在，内核的PCB（进程控制块）对线程的管理更轻量化（共享大部分进程资源，仅需维护独立的执行上下文）。

1-2 分页式存储管理：线程资源划分的基础

线程能共享进程资源，依赖分页式虚拟内存管理—— 通过虚拟地址、页表、物理内存的分层映射，实现 “进程地址空间共享，物理内存离散分配”。

1-2-1 虚拟地址与页表的由来

问题背景：若直接使用物理内存，进程需连续的物理空间，易导致 “内存碎片”（进程退出后，物理内存被分割为零散块，无法被大进程利用）。

解决方案：虚拟内存 + 分页：

物理内存分页：将物理内存划分为固定大小的 “页框（Page Frame）”，每个页框存一个 “物理页（Page）”（32 位系统通常为 4KB，64 位系统多为 8KB）。
虚拟地址空间：为每个进程分配独立的虚拟地址空间（32 位系统为 0~4GB），进程通过虚拟地址间接访问物理内存。
页表映射：操作系统维护 “页表”，记录虚拟页（虚拟地址划分的页）与物理页框的映射关系。

效果：虚拟地址连续，物理内存可离散分配，解决了内存碎片问题。

1-2-2 物理内存管理

Linux 内核用struct page管理每个物理页，核心字段：

flags：页的状态（如是否脏页、是否锁定）。
_mapcount：页被引用的次数（-1 表示未被内核引用，可分配）。
virtual：页的虚拟地址（高端内存可能为NULL，需动态映射）。

内存开销：若物理内存为 4GB（4KB 页框），共需4GB / 4KB = 1,048,576个struct page。若每个struct page占 40 字节，总开销为1,048,576 × 40B = 40MB，仅占物理内存的 1%（可接受）。

1-2-3 页表：多级映射优化

单级页表的问题：32 位系统中，虚拟地址 4GB，4KB 页框需4GB / 4KB = 1,048,576个页表项，每个项占 4 字节，总页表大小为4MB，需4MB / 4KB = 1024个连续页框 —— 既浪费内存，又违反 “离散分配” 的初衷。

多级页表（以二级为例）：

将单级页表拆分为 “页目录表 + 页表”：
- 页目录表：含 1024 个项，每个项指向一个 “页表”。
- 页表：每个页表含 1024 个项，指向物理页框。
优势：进程仅需加载 “实际使用的页表”，无需加载全部 1024 个页表，节省内存（如 10MB 进程仅需 3 个页表）。

1-2-4 页目录与地址转换

页目录表：管理所有页表，其物理地址由CR3寄存器存储（每个进程的CR3不同，实现地址空间隔离）。
地址转换流程：
1. CPU 将虚拟地址拆分为 “页目录索引 + 页表索引 + 页内偏移”。
2. 通过CR3找到页目录表，再通过 “页目录索引” 找到目标页表。
3. 通过 “页表索引” 找到物理页框，结合 “页内偏移” 得到物理地址。

1-2-5 TLB：加速地址转换

多级页表虽节省内存，但增加了地址转换的 “查表次数”（二级页表需查 2 次表）。为加速转换，CPU 引入TLB（Translation Lookaside Buffer，转译后备缓冲器）：

TLB 是 “页表项的高速缓存”，存储近期使用的虚拟页→物理页映射。
工作流程：
- 地址转换时，先查 TLB：命中则直接获取物理地址。
- 未命中则查多级页表，同时将新映射存入 TLB（淘汰旧项）。

1-2-6 缺页异常：内存不足时的补救

当 CPU 访问的虚拟页无物理页映射（或权限错误）时，触发缺页异常（Page Fault），进入内核态处理：

硬缺页（Major Page Fault）：物理内存中无对应页，需从磁盘（如交换分区、可执行文件）加载页到内存，再建立映射。
软缺页（Minor Page Fault）：物理内存中有对应页（如其他进程共享的页），仅需建立映射。
无效缺页：访问越界（如空指针、非法地址），触发SIGSEGV信号，终止进程。

线程资源划分的真相

线程共享进程的虚拟地址空间，因此天然共享进程的代码、数据、堆等资源。操作系统只需为线程分配独立的栈空间（通常为 8MB）和寄存器上下文，即可实现 “进程内多执行流”。

1-3 线程的优点

相比进程，线程具备以下优势：

创建开销小：线程共享进程的地址空间、文件描述符等资源，创建时无需重复分配这些资源，仅需初始化栈和寄存器上下文，开销远小于进程。
切换开销小：
- 线程切换时，虚拟地址空间不变，无需刷新 TLB（页表缓存），仅需切换寄存器和栈。
- 进程切换需切换地址空间，刷新 TLB，开销是线程切换的数倍。
资源占用少：线程仅需独立的栈和少量控制结构，相比进程（需完整的地址空间、文件描述符表等），资源占用显著减少。
多核并行：多线程可在多核 CPU 上并行执行，提升计算密集型任务的效率。
IO 与计算重叠：IO 密集型任务中，线程可在等待 IO（如磁盘读写、网络传输）时，让其他线程继续执行计算，提升整体吞吐量。

1-4 线程的缺点

性能损失：若计算密集型线程数超过 CPU 核心数，线程切换（上下文切换）会产生额外开销，导致整体性能下降。
健壮性降低：线程共享进程资源，一个线程的错误（如野指针、除零）可能导致整个进程崩溃，缺乏进程级的隔离性。
缺乏访问控制：进程是系统 “访问控制的基本粒度”，线程无法独立设置资源权限（如文件权限、内存权限），一个线程的操作可能影响整个进程。
编程难度高：多线程需处理竞态条件、死锁、数据同步等问题，调试难度远高于单线程程序。

1-5 线程异常

线程是进程的 “执行分支”，线程异常会直接导致进程崩溃：

若线程出现 “除零错误”“野指针访问” 等，会触发内核的信号机制（如SIGFPE、SIGSEGV），最终终止整个进程，进程内所有线程随之退出。

1-6 线程用途

提升 CPU 密集型任务效率：多线程可在多核 CPU 上并行计算，将大任务拆分为多个子任务，充分利用 CPU 资源。
优化 IO 密集型任务体验：如 “边下载文件边显示进度”，IO 线程等待网络 / 磁盘时，UI 线程可继续响应用户操作，提升交互体验。

总结

线程本质：进程内的轻量级执行流，共享进程地址空间，独立维护执行上下文。
内存基础：分页式虚拟内存管理让线程可高效共享进程资源，同时通过页表、TLB、缺页异常保证内存访问的灵活性与效率。
适用场景：CPU 密集型任务（多核并行）、IO 密集型任务（IO 与计算重叠），但需权衡线程切换开销与同步复杂度。

2. Linux 进程 VS 线程：资源共享与独占的边界

进程与线程的核心差异在于资源分配与调度粒度：进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。线程作为进程内的执行流，共享进程的大部分资源，但也拥有独立的私有数据以保证执行独立性。

2-1 进程与线程的核心定位

进程：操作系统进行资源分配的基本单位（如内存、文件描述符、用户 ID 等），进程间相互独立，拥有各自的地址空间。
线程：操作系统进行调度的基本单位（CPU 时间片分配的对象），线程依附于进程存在，共享进程的资源。

2-2 线程的私有资源（独占）

线程作为独立的执行流，需要维护自身的执行状态，因此拥有以下私有资源：

线程 ID（TID）标识线程的唯一编号（类似进程 ID，但仅在进程内唯一），用于内核调度和线程管理。
寄存器上下文包括程序计数器（PC，记录下一条指令地址）、栈指针（SP）、通用寄存器等，用于线程切换时保存和恢复执行状态。
线程栈独立的栈空间（默认 8MB，可调整），用于存储局部变量、函数调用参数和返回地址，避免多线程执行时栈数据冲突。
errno 变量记录线程执行系统调用时的错误码（线程私有，避免多线程操作同一全局errno导致的混乱）。
信号屏蔽字线程可独立设置对某些信号的屏蔽（如sigprocmask），不影响其他线程的信号处理。
调度优先级线程有独立的调度优先级（如nice值），内核根据优先级分配 CPU 时间片。

2-3 线程共享的进程资源

线程属于进程的一部分，天然共享进程的大部分资源，这是线程轻量性的核心原因：

地址空间
- 共享代码段（Text Segment）：进程的函数可被所有线程调用。
- 共享数据段（Data Segment）和堆（Heap）：全局变量、静态变量、动态分配的内存（malloc/new）可被所有线程访问。
文件描述符表进程打开的文件、套接字等描述符对所有线程可见，线程关闭一个描述符会影响其他线程。
信号处理方式进程对信号的处理动作（忽略SIG_IGN、默认SIG_DFL、自定义函数）是全局的，所有线程共享（但线程可独立屏蔽信号）。
当前工作目录进程的工作目录由所有线程共享，一个线程调用chdir会改变所有线程的工作目录。
用户 ID（UID）和组 ID（GID）线程共享进程的用户身份，权限检查基于进程的 UID/GID，而非线程。
其他进程级资源如进程组 ID（PGID）、会话 ID（SID）、计时器、信号量等。