Re：Linux系统篇（四十八）线程篇 · 一：线程概念的初步认识

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文章目录

概要&序論
[一、 Linux 线程概念的理解](#一、 Linux 线程概念的理解)
- [1.1 进程与线程的概念](#1.1 进程与线程的概念)
- [1.2 轻量级进程模拟线程](#1.2 轻量级进程模拟线程)
- - 1.2.1多进程看到同一个虚拟地址空间
  - 1.2.2总结结论
  - [1.2.3 关于"轻量级进程执行函数"的精准认知](#1.2.3 关于“轻量级进程执行函数”的精准认知)
  - [1.2.4 核心设计抉择：为什么 Linux 不采用 PCB + TCB 方案？](#1.2.4 核心设计抉择：为什么 Linux 不采用 PCB + TCB 方案？)
  - [1.2.5 硬件 CPU 视角与"执行流"体量辨析](#1.2.5 硬件 CPU 视角与“执行流”体量辨析)
- [1.3 概念重塑：从操作系统视角到现实比喻](#1.3 概念重塑：从操作系统视角到现实比喻)
- - [1.3.1 通俗生活比喻：社会、家庭与成员](#1.3.1 通俗生活比喻：社会、家庭与成员)
  - [1.3.2 进程与线程的本质特征汇总](#1.3.2 进程与线程的本质特征汇总)

概要&序論

Hello大家好，我是此方 。我们已经讲完Linux的90%内容了，包括基础，权限，指令，工具，进程，文件，通信，信号， 今天开始我们将进入Linux的最后一个话题：线程。（在此之前，通信篇第七，第一节中讲解了并发编程的初步认知。）本文讲解线程的基础概念初步认知，内容较浅显简单。

一、 Linux 线程概念的理解

1.1 进程与线程的概念

传统的操作系统教材中通常这样定义：

进程：内核数据结构 + 代码和数据，是操作系统分配资源（资源分为CPU资源和内存资源）的基本实体。
线程：在一个程序里的一个执行路线就叫做线程。更准确的定义是：线程是"一个进程内部的控制序列"，是进程内部的一个执行分支，是 CPU 调度的基本单位。 一切进程至少都有一个执行线程
两者都是执行流。
在Linux系统中，在CPU眼中，看到的线程PCB都要比传统的进程更加轻量化。
透过进程虚拟地址空间，可以看到进程的大部分资源，将进程资源合理分配给每个执行流，就形成了线程执行流。

从 Linux 操作系统的视角来看，线程是在进程的进程地址空间内运行的执行流 ；而从硬件 CPU 的视角来看，Linux 中的线程本质上就是轻量级进程（Light Weight Process, LWP）。

1.2 轻量级进程模拟线程

1.2.1多进程看到同一个虚拟地址空间

很多操作系统（如 Windows）为线程设计了独立的结构体（TCB）与专门的调度算法，这使得内核的设计与维护变得极其复杂。然而 Linux 选择了另一条路径------直接复用进程的 task_struct 结构体 ，复用同一套调度算法。

以前的进程只有一个执行流，

现在我们讲的多线程，就会在一个进程中有多个执行流，每一个执行流都有独立的task_struct。

线程在进程内部运行，本质是在进程地址空间内运行 ，进程访问的大部分资源，都是通过地址空间访问的！地址空间是"窗口"。

创建一个"进程",共享 "窗口" ，就是将资源在分配给不同的task_struct，于是用进程，模拟出线程的本质就是划分虚拟地址与页表。

我们以前讲的进程和我们现在讲的进程。不是冲突而是互补的。以前我们的进程是由一个PCB独占所有的资源。于是今天我们看到的才是一个普适的真正的进程模型 。

1.2.2总结结论

结论1：对资源的划分，本质是对地址空间虚拟地址范围的划分。虚拟地址，就是资源的代表。
结论2：函数的本质是虚拟地址空间中的代码块。
- 指令地址化：函数被编译为汇编后，其包含的每一条语句都映射到具体的虚拟地址（拥有确切的入口地址和连续的指令序列）。
- 逻辑隔离：PC（程序计数器）通过在虚拟地址空间中顺序自增来驱动代码执行。
- 资源划分：让不同的进程/线程去执行不同的函数，本质上就是把虚拟地址空间划分给不同的执行流去独占或共享。
结论4： 单线程进程只是多线程进程的一种特殊情况。以前我们讲的进程是内核中只有一个线程的进程；现在讲的进程是由多个线程共享资源构成的整体，两者并不冲突，而是概念上的互补。

1.2.3 关于"轻量级进程执行函数"的精准认知

在理解轻量级进程如何划分代码与数据时，初学者很容易陷入一个误区："一个轻量级进程就是去执行某一个具体的函数。" 这种表述看似正确，但实际上不够精准。

准确表述 ：由于函数内部完全有可能继续调用其他函数，因此更严谨的说法是------轻量级进程拥有的只是某一个函数的入口地址，以此作为其执行起点。
划分性 vs 共享性 ：我们在学习这些概念时，习惯去强调轻量级进程对代码和数据的"划分性"；但实际上更重要的是它们的"资源共享性"！
函数执行的交集 ：一个轻量级进程只有一个函数的入口地址，并不代表各个轻量级进程执行的函数之间完全没有交集。多个轻量级进程在各自的执行流中，完全可以调用同一个公共函数、访问同一块全局数据。

1.2.4 核心设计抉择：为什么 Linux 不采用 PCB + TCB 方案？

在探讨 Linux 实现之前，我们需要回答两个核心问题：线程在内核中到底要不要被管理？其他操作系统是如何实现的？

1. 经典的"描述+组织"方案（以 Windows 为代表）

先描述，再组织 ：既然线程有创建、挂起、等待、调度和销毁等生命周期，操作系统内核就必须为其设计专门的数据结构进行描述。这个结构体被称为TCB（Thread Control Block，线程控制块）。
双重结构体系：在 Windows 等系统内部，一个进程对应一个 PCB，PCB 结构体内部包含一个指针，指向该进程所属的 TCB 链表。
代价与弊端 ：TCB 与 PCB 的存在使得内核数据结构极其复杂。更关键的是，线程的调度、等待、销毁算法与进程算法在逻辑上几乎完全重合。为 TCB 单独写一套算法会导致大量的内核代码冗余，系统维护成本高，且容易因复杂度提升而降低系统的健壮性。

2. Linux 的解法：完整机制复用

极简哲学 ：Linux 开发者认为"没有必要专门设计 TCB"。既然线程的调度与进程高度相似，不如直接复用成熟的 task_struct 结构体和调度算法。
模拟的本质 ：在内核代码层面，全部复用进程的底层机制。通过共享进程地址空间（mm_struct）和页表，将同一个进程的资源划分给不同的 task_struct，从而低成本地"模拟"出了线程。
优势：没有复杂的 PCB+TCB 嵌套逻辑，内核更加轻量、健壮且易于维护。

1.2.5 硬件 CPU 视角与"执行流"体量辨析

如果我们从硬件 CPU 的运行机制来看，Linux 的轻量级进程设计展现出了极高的统一性：

1. CPU 的主动与被动

CPU 的主动性 ：硬件 CPU 通过底层的时钟中断，不断触发内核的调度算法，主动选择下一个需要执行的节点。
CPU 的被动性 ：CPU 本身是"眼盲"的，它只管被动接收指令并执行。对 CPU 而言，它根本不关心当前运行的到底是一个传统进程还是一个轻量级进程，它只认内核链入运行队列的 task_struct。哪一个执行流需要调度，就把它的 PCB 链入运行队列即可。

2. 核心公式理解：执行流 ≤ \le ≤ 进程

单线程进程 ：如果给 CPU 调度的是一个单线程进程，那么此时 执行流 = 进程。
多线程进程 ：如果给 CPU 调度的是多线程进程中的某一个线程，那么此时 执行流 < 进程（线程是进程内部的一个执行分支）。
体量而非数量的比较 ：需要特别强调，"执行流 ≤ \le ≤ 进程" 这句话不是数量上的比较，而是级别与体量的比较。线程继承并共享了进程的部分或大部分资源，因此单个线程作为执行流，其资源体量和调度开销都小于或等于整个进程。

1.3 概念重塑：从操作系统视角到现实比喻

综合以上推导，我们可以对操作系统课本上的抽象定义与 Linux 的具体落地做一个清晰的对照。

1.3.1 通俗生活比喻：社会、家庭与成员

为了更直观地理解操作系统中的资源与执行流关系，我们可以将操作系统比作社会：

操作系统 = 社会：提供整体的运行环境与规则。
进程 = 家庭 ：社会分配资源的基本实体。社会在分配住房、车位、津贴等资源时，通常是以"家庭"为单位划拨的。家庭的主要目标是"过好日子"。
线程 = 家庭成员：家庭内部的每一个成员（爸妈、子女）各自承担不同的任务（工作、学习、养老、赚钱）。成员们共同共享家庭的大部分资源（房子、家具），但每个人又拥有各自独占的属性（独立的身份信息、私人的私房钱/私人物品）。

1.3.2 进程与线程的本质特征汇总

基于这套轻量级进程模型，我们可以得出 Linux 下进程与线程的核心关系：

资源分配与调度的分工 ：
- 进程：是承担分配系统资源的基本实体。系统以进程为单位划拨虚拟地址空间、文件描述符表等资源。
- 线程：是 CPU 调度的基本单位。操作系统以进程为单位申请资源，但这些申请到的资源最终都是给内部的各个线程（执行流）使用的。
资源的独占与共享 ：
- 进程之间 ：强调资源独占，不同进程间互相隔离（只有在显式通信时才进行部分共享）。
- 线程之间 ：强调资源共享 ，同一个进程内的线程共享绝大部分代码与数据，仅保留自身执行所必需的独立栈结构 与CPU 寄存器上下文（部分独占）。

好的本期内容就到这里，如果对你有帮助，还不要忘记点赞三联支持。我是此方，我们下期再见。bye! Linux、C++、算法持续连载中，欢迎关注WeChat Official Account 【此方的技术栈】。