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Linux内核是如何创建线程的,它与windows有哪些不同? – 网络|

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其实Linux创建进程,就是创建进程运行所需的内存空间,填充描述进程的task_struct结构体,以及加载进程的程序而已。

Linux内核并无专门创建线程的机制

大家之前提到,Linux并不特殊对待线程,在Linux看来,线程不过就是一种特殊的进程而已。那么,Linux是如何创建线程的呢?

线程机制是大多数现代编程语言都会提供的机制,该机制允许在同一进程的共享内存地址空间运行一组“特殊的进程(即线程)”。这些线程不仅共享同一段内存空间,还可以共享已经打开的文件,统计量等其他资源。线程机制支持程序并发运行,在多处理器核心的系统上,该并发机制能够实现多条线程同时运行。

Linux管理线程的方式不同于其他一些经典操作系统,Linux并没有线程的概念,它把线程当作进程的一个子集来管理。因此,Linux内核并未为线程提供额外调度算法,也没有提供额外的数据结构用于描述和存储线程。

就像进程一样,Linux使用task_struct结构体描述和记录线程,每个线程都有唯一属于自己的task_struct结构。从这个角度来看,线程就是一个普通的进程,只不过线程可能和其他进程共享一些资源而已。

以Windows为代表的一些操作系统提供了专门用于创建线程的机制,在这些系统中,线程常常被称作“轻量级进程”,因为相对于进程而言,线程耗费的资源较少,能够较为迅速的创建和投入运行。

但是对于Linux而言,线程不过是进程之间共享资源的一种手段罢了。那么是不是Linux中的线程比Windows中的线程更加“重量级”呢?也不是,因为Linux中的进程本身就很轻量级,Linux创建进程所需时间,并不比Windows创建线程所需时间多多少。

从C语言代码层面来看,假设某个进程包含4个线程,以Windows为代表的一些操作系统一般会有一个包含指向4个不同线程的指针的进程描述符,负责描述地址空间、打开的文件等共享资源,而线程本身再去描述自己独占的资源。

与之对应的,Linux的做法就高雅许多,它仅需为这4个线程创建4个task_struct结构体,然后在task_struct中指定它们共享的资源就可以了。

创建线程

看了偶最近几篇文章的读者应该已经明白,Linux内核中的线程其实就是进程,因此线程的创建与进程的创建过程是类似的,从C语言源代码层面看,基本上也是通过fork()函数和exec()函数族实现的。只不过在调用clone()函数时需要传递一个参数用于描述共享资源,例如:

上面这行C语言代码和调用fork()函数的结果差不多,只不过输入的几个参数标志位说明了子进程与父进程共享一些资源:地址空间、文件系统、打开的文件、信号处理程序。

对比一下,fork()基本上就相当于clone(SIGCHLD,0),这也是fork()函数创建的子进程之后不再与父进程共享资源的原因。

关于clone()函数的参数标志位,可以在Linux中输入man命令查看。

Linux内核线程

就像用户空间的C语言程序开发一样,Linux内核也经常需要在后台处理数据,这时就需要借助内核线程了。Linux的内核线程一般不会独立的地址空间,它们只在内核空间运行,不会切换到用户空间。不过调度是和普通进程一样的,可以被调度和抢占。

Linux创建内核线程由kthread_create()函数实现,它的C语言源代码如下,请看:

可见,kthread_create()函数的C语言代码并不长,而且也可以看出,Linux内核线程是通过kthread_create_info结构体描述的,它的定义C语言代码如下,可见,内核线程的描述和存储也是包含task_struct结构体的:

kthread_create()函数创建名为namefmt的线程,不过线程被创建后是处于不可运行状态的,大家可以通过wake_up_process()函数唤醒它。当然,也可以通过kthread_run()方法实现这一过程,相关的C语言代码如下,请看:

其实就是将kthread_create()函数和wake_up_process()函数组合到一起而已。Linux的内核线程被启动后,会一直运行到调用do_exit()退出。大家也可以调用kthread_stop()函数提前结束它,相关的C语言代码如下,请看:

kthread_stop()函数接收的参数为kthread_create()函数创建的结构体的task_struct成员。从C语言代码可以看出,kthread_stop()其实也是会调用wake_up_process()函数唤醒线程的,它在唤醒线程后,会等待线程函数退出,并不会调用threadfn()函数。

这里需要注意,如果创建的线程函数threadfn()调用了do_exit()函数,最好就不要再调用kthread_stop()函数了。

kthread_stop()函数等待线程退出是通过wait_for_completion()函数实现的,相关的C语言代码如下,请看:

稍稍跟踪一下C语言代码,发现其实这一等待过程是由do_wait_for_common()函数实现的,它的C语言代码如下,请看:

还是比较清晰的,这里就不再赘述了。至此,大家就了解了Linux内核是如何创建线程并投入运行,以及如何结束内核线程的了。

小结

本节主要讨论了Linux内核中的线程的创建,应该能够看出,其实核心还是围绕对task_struct结构的管理,这与管理进程并无过多区别。因此,说Linux中的线程只是一种特殊的进程,一点也不为过。


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