聊聊操作系统-进程与线程

工作也有两年了，在研究很多项目时发现很多问题追根溯源都会到计算机底层的知识，也是越来越发现编程语言只是一层外壳，这个外壳需要去和操作系统协商使用后者管理的的计算机资源，包括存储资源和计算资源。如果计算机底层知识不牢靠，遇到一些问题还真是不好分析，也很容易成为职业上升的瓶颈。现在回想起大学时学习这么课时是比较抽象的，那时没有太多编程经验，知识很难落地，造成了只知其然不知其所以然的情况，所以现在重新梳理一下计算机操作系统的一些底层知识，在这里记录一下。

我们说操作系统是运行在内核态的一套软件，它的主要作用是隐藏硬件，呈现给程序或者程序员良好的、优雅的、一致的计算机抽象模型，并且负责将计算机的存储资源和计算资源有序分配给应用程序。

这篇文章我先总结一下计算机的进程和线程相关知识。

(一)进程相关

(1)什么是进程

我个人觉得理解进程需要从两个角度来看，第一从动态角度讲“进程”是一个正在运行程序的实例，它包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。

第二从静态角度讲“进程”是一个容器，该容器用于聚集相关的计算机资源，线程，打开的文件等。

在单CPU系统中，CPU在多个进程之间快速来运行的，这是一种伪并行模式。所以在对进程编程时绝不能对时序做任何确定的假设。

(2)什么时候进程被创建

• 系统初始化：必须linux系统启动时init进程会被创建，所有其他进程都是这个进程的子进程
• 正在运行的进程通过系统调用创建另一个进程：比如我在这篇博客Redis持久化机制原理分析中提到的Redis主进程通过系统调用fork创建一个子进程来执行RDB
• 用户请求创建一个进程：如用户在Window系统中双击桌面上的word快捷方式

在linux系统中进程的创建时通过系统调用fork进行创建，调用fork的进程成为父进程，被创建的进程成为子进程。父进程和子进程都有私有的内存地址空间，如果父进程修改了属于自己的变量，这个修改对子进程是不可见的。

pid = fork(); //创建成功pid>0,实际为子进程的pidif(pid < 0){hand_error();  // pid <0 创建进程失败} else if (pid > 0){// 父进程逻辑} else {// 子进程逻辑}

系统调用fork调用一次返回两次，在父进程中返回子进程的pid，在子进程中返回0，可以通过这个返回值来判断执行父进程代码还是子进程代码，系统调用fork创建一个完全与父进程相同的子进程，包括相同的文件描述符，相同的寄存器内容和其他所有内容，当然现代操作系统使用了 写时复制Copy on write的方式来优化fork的性能，fork刚创建的子进程采用了共享的方式，只用指针指向了父进程的物理资源。当子进程真正要对某些物理资源写操作时，才会真正的复制一块物理资源来供子进程使用。这样就极大的优化了fork的性能。

如果子进程想获得自己的pid可以通过getpid系统调用。

(3)什么时候进程退出

• 正常运行结束程序退出(正常情况)：在linux系统中程序运行结束后调用exit退出
• 出现错误程序退出(正常情况):编译一个找不到的文件等
• 严重错误(非正常情况)：引用不存在的内存、除数为0等情况
• 被其他用户杀死(非正常情况)：在linux系统中用户kill命令杀死进程

(4)进程层次结构

在unix系统中当一个进程创建了另一个进程之后，我们称前者为父进程后者为子进程，一个父进程有0个或多个子进程，这些进程构成了一个进程树。

在Windows系统中进程没有父子进程的层次结构的概念。

(二)线程相关

(1)什么是线程

我们常说线程是cpu调用的最小单位，每个进程中至少有一个线程，当然这只是从cpu调度的角度来看线程；如果从存储资源的角度来看线程的话，

线程解决的最大问题就是它可以很简单地表示共享资源的问题，这里说的资源指的是存储器资源，资源最后都会加载到物理内存，一个进程的所有线程都是共享这个进程的同一个虚拟地址空间的，也就是说从线程的角度来说，它们看到的物理资源都是一样的，这样就可以通过共享变量的方式来表示共享资源，也就是直接共享内存的方式解决了线程通信的问题。

理论上说Linux内核是没有线程这个概念的，只有内核调度实体(Kernal Scheduling Entry， KSE)这个概念。linux的线程本质上是一种轻量级的进程，是通过clone系统调用来创建的。

(2)线程的创建

在文章上面我们提到通过系统调用fork创建进程，如果说父进程是一个多线程运行模式，那么现在面临的一个问题是：是不是需要在新创建的子进程中创建父进程中的所有线程，如果全部创建假设父进程中一个线程正在等待输入而阻塞，那么等输入完成之后数据是传给父进程还是子进程的线程；如果不全创建，如果父进程中一个线程A持有锁，线程B等待锁，那么子进程中如果没有创建线程A，那么线程B在子进程中将永远阻塞。

为了解决这个问题，Linux系统引入了一个强大的系统调用clone

pid=clone(function,stack_ptr,sharing_flags,args)

function:为新建线程的执行入口

args:为新创建线程执行参数

stack_ptr:为新创建线程的私有堆栈指针

sharing_flags：这个是一个位图不同的值可以指定，新创建线程是复制调用clone函数的线程数据结构，还是共享这部分数据结构。

具体参数值可以参考下图：

(3)线程没有层级结构而是对等的关系

进程采用父子结构，init进程是最顶端的父进程，其他进程都是从init进程派生出来的。这样就很容易理解进程是如何共享内核的代码和数据的了。

而线程采用对等结构，即线程没有父子的概念，所有线程都属于同一个线程组，线程组的组号等于第一个线程的线程号。