【Linux】Linux 地址空间 + 页表映射的概念解析

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Linux线程解析

Linux线程解析

一、进程与线程的核心区别

进程 = 内核数据结构（如PCB） + 代码和数据（执行流）
线程：进程内部的"执行分支"，是更轻量的执行流

内核视角的资源与调度：

进程：系统资源分配的基本单位（占内存、文件描述符等）
线程：CPU调度的基本单位（被CPU直接调度执行）

二、地址空间：线程共享的"窗口"

进程访问资源的核心是"地址空间"------它像一个"窗口"，通过这个窗口能看到进程拥有的所有资源（代码、数据、堆、栈等）。

创建进程时，系统会为它单独申请一套地址空间（窗口），包含所有资源；

而创建线程时，线程会共享进程的地址空间（同一个窗口）：

（单进程的地址空间：一个窗口对应一个执行流）

（多线程共享地址空间：一个窗口对应多个执行流）

（多线程共享地址空间的结构：多个task_struct共用一套资源）

三、线程的本质：多执行流并行

资源分配的本质：划分虚拟地址

地址空间里的虚拟地址，本质是"资源的代表"。比如代码区、数据区、堆区的虚拟地址范围，就是进程/线程能访问的资源范围。
多线程如何并行？

多个线程（task_struct）共享同一地址空间，但可以分配不同的虚拟地址范围（比如执行不同函数），从而实现"同一进程内的并行执行"：

（多线程在同一地址空间内执行不同函数，实现并行）

函数与代码区的划分

函数本质是"一段连续的虚拟地址"，线程执行不同函数，就是在代码区中选择不同的虚拟地址范围执行。
进程与线程的关系

单进程可以看作"只有一个线程的特殊情况"：

（单线程进程是多线程进程的特例）

四、Linux为什么用进程模拟线程？

Linux的线程并非单独设计，而是通过"轻量级进程（LWP）"模拟实现------复用了进程的内核管理代码（如task_struct、调度逻辑）。

原因很简单：

复用现有进程管理代码，无需重新设计线程管理模块，降低开发成本；
保持内核的简洁与健壮性。

（Linux复用进程内核代码管理线程，成本更低）

五、其他平台的线程实现

不同操作系统的线程实现不同：

Windows：单独设计"线程控制块（TCB）"管理线程，内核中需单独维护线程的调度信息，实现更复杂；
核心思想一致：线程是调度单位，共享进程资源，但具体实现细节因系统而异。

六、Linux线程的调度与称呼

操作系统视角：线程和进程都是"执行流"，调度算法无需区分；
硬件视角：Linux内核中无独立"TCB"，用户态线程通过"轻量级进程（LWP）"与内核交互，每个用户态线程对应一个LWP；
内核用task_struct统一描述进程和LWP，每个线程有自己的入口函数，被CPU当作独立执行流调度：

（每个线程的task_struct对应独立执行流，共享进程资源）

七、资源划分：共享与独占

进程：强调"独占"（独立地址空间、资源），仅通过通信机制共享部分数据；
线程：强调"共享"（同一地址空间、代码、数据、文件描述符等），独占资源包括线程栈、寄存器状态、程序计数器（PC）、线程私有数据（TLS）。

形象说：进程像"独立的公司"，线程像"公司内的团队"------团队共享公司资源，各自执行不同任务，共同完成公司目标。

八、物理内存管理：4KB页框

硬件与系统对内存的管理，都以"4KB"为基本单位：

磁盘文件、物理内存均按4KB块存储/管理，这个块称为"页框"或"页帧"；
内核用struct page描述每个4KB页框：

（struct page结构体：描述4KB页框的属性）

页框的地址计算

早期内核中，struct page会被组织成数组（如struct page mem[1048576]），该大小对应4GB物理内存（1048576×4KB=4GB），数组下标即页框索引；
页框起始物理地址 = 数组下标 × 4KB；
具体物理地址 = 页框起始地址 + 页内偏移（0~4095）：

（物理地址由页框起始地址和页内偏移组成）

申请物理内存的本质

就是修改struct page数组的状态（标记某页框为"已分配"），建立"进程/线程"与"页框"的对应关系。

九、虚拟地址与页表映射

程序访问的是"虚拟地址"，需通过"页表"转换为物理地址。

32位虚拟地址的划分（经典两级页表）

32位x86架构的经典两级页表中，虚拟地址被分为3部分：

前10位：页目录索引；
中10位：页表索引；
后12位：页内偏移（4KB=2¹²，12位可覆盖0~4095的偏移范围）。

页表映射过程

用前10位查"页目录"，找到对应"页表"的物理地址；
用中10位查"页表"，找到目标"物理页框"的起始地址；
用后12位（页内偏移）定位到具体字节：

（页目录→页表→物理页框：虚拟地址到物理地址的转换）

附：简单线程创建示例（修正编译说明）

用C语言的pthread库创建线程（体现线程共享地址空间），编译时需链接pthread库（加-lpthread参数）：

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 共享变量（线程共享同一地址空间，可直接访问）
int shared = 0;

// 线程1执行函数
void *thread1(void *arg) {
    shared++;
    printf("线程1：shared = %d\n", shared);
    return NULL;
}

// 线程2执行函数
void *thread2(void *arg) {
    shared++;
    printf("线程2：shared = %d\n", shared);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    // 创建线程
    pthread_create(&tid1, NULL, thread1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL);
    // 等待线程结束（避免主线程提前退出）
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    // 主线程也能访问shared
    printf("主线程：shared = %d\n", shared);
    return 0;
}

编译命令：gcc -o thread_demo thread_demo.c -lpthread

输出（共享变量被两个线程修改，顺序可能因调度略有差异）：

复制代码

线程1：shared = 1
线程2：shared = 2
主线程：shared = 2