Linux中进程和线程的区别

Question

在阅读了 Robert Love 的 this answer 和“Linux 内核开发”以及随后的 clone() 系统调用后，我发现 Linux 中的进程和线程（几乎）与内核无法区分。它们之间有一些调整（在引用的 SO 问题中讨论为“更多共享”或“更少共享”），但我仍有一些问题需要回答。

我最近在一个涉及几个 POSIX 线程的程序上工作，并决定在这个前提下进行试验。在创建两个线程的进程中，所有线程当然会获得由pthread_self() 返回的唯一值，然而，而不是getpid()。

我创建的示例程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* threadMethod(void* arg)
{
    int intArg = (int) *((int*) arg);

    int32_t pid = getpid();
    uint64_t pti = pthread_self();

    printf("[Thread %d] getpid() = %d\n", intArg, pid);
    printf("[Thread %d] pthread_self() = %lu\n", intArg, pti);
}

int main()
{
    pthread_t threads[2];

    int thread1 = 1;

    if ((pthread_create(&threads[0], NULL, threadMethod, (void*) &thread1))
         != 0)
    {
        fprintf(stderr, "pthread_create: error\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int thread2 = 2;

    if ((pthread_create(&threads[1], NULL, threadMethod, (void*) &thread2))
         != 0)
    {
        fprintf(stderr, "pthread_create: error\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int32_t pid = getpid();
    uint64_t pti = pthread_self();

    printf("[Process] getpid() = %d\n", pid);
    printf("[Process] pthread_self() = %lu\n", pti);

    if ((pthread_join(threads[0], NULL)) != 0)
    {
        fprintf(stderr, "Could not join thread 1\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if ((pthread_join(threads[1], NULL)) != 0)
    {
        fprintf(stderr, "Could not join thread 2\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}

（这是在 64 位 Fedora 上编译的 [gcc -pthread -o thread_test thread_test.c]；由于 pthread_t 使用的 64 位类型源自 <bits/pthreadtypes.h>，因此代码需要稍作更改才能在 32 位版本上编译。 )

我得到的输出如下：

[bean@fedora ~]$ ./thread_test 
[Process] getpid() = 28549
[Process] pthread_self() = 140050170017568
[Thread 2] getpid() = 28549
[Thread 2] pthread_self() = 140050161620736
[Thread 1] getpid() = 28549
[Thread 1] pthread_self() = 140050170013440
[bean@fedora ~]$ 

通过在gdb 中使用调度程序锁定，我可以保持程序及其线程处于活动状态，这样我就可以捕获top 所说的内容，仅显示进程：

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
28602 bean      20   0 15272 1112  820 R  0.4  0.0   0:00.63 top
 2036 bean      20   0  108m 1868 1412 S  0.0  0.0   0:00.11 bash
28547 bean      20   0  231m  16m 7676 S  0.0  0.4   0:01.56 gdb
28549 bean      20   0 22688  340  248 t  0.0  0.0   0:00.26 thread_test
28561 bean      20   0  107m 1712 1356 S  0.0  0.0   0:00.07 bash

当显示线程时，说：

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
28617 bean      20   0 15272 1116  820 R 47.2  0.0   0:00.08 top
 2036 bean      20   0  108m 1868 1412 S  0.0  0.0   0:00.11 bash
28547 bean      20   0  231m  16m 7676 S  0.0  0.4   0:01.56 gdb
28549 bean      20   0 22688  340  248 t  0.0  0.0   0:00.26 thread_test
28552 bean      20   0 22688  340  248 t  0.0  0.0   0:00.00 thread_test
28553 bean      20   0 22688  340  248 t  0.0  0.0   0:00.00 thread_test
28561 bean      20   0  107m 1860 1432 S  0.0  0.0   0:00.08 bash

似乎很清楚，程序，或者可能是内核，与进程相比，有一种独特的方式来定义线程。根据top，每个线程都有自己的PID - 为什么？

Answer 1

这些混淆都源于内核开发人员最初持有一个不合理和错误的观点，即线程几乎可以完全在用户空间中使用内核进程作为原语来实现，只要内核提供一种使它们共享内存的方法和文件描述符。这导致了臭名昭著的 POSIX 线程的 LinuxThreads 实现糟糕，这是用词不当，因为它没有提供任何与 POSIX 线程语义相近的东西。最终 LinuxThreads 被替换（被 NPTL），但许多令人困惑的术语和误解仍然存在。

首先要意识到，“PID”在内核空间和用户空间中意味着不同的东西。内核所称的 PID 实际上是内核级别的线程 ID（通常称为 TID），不要与 pthread_t 混淆，后者是一个单独的标识符。系统上的每个线程，无论是在同一个进程中还是在不同的进程中，都有一个唯一的 TID（或内核术语中的“PID”）。

另一方面，POSIX 意义上的“进程”被认为是 PID，在内核中被称为“线程组 ID”或“TGID”。每个进程由一个或多个线程（内核进程）组成，每个线程都有自己的 TID（内核 PID），但都共享相同的 TGID，该 TGID 等于运行main 的初始线程的 TID（内核 PID）。

当top 向您显示线程时，它显示的是 TID（内核 PID），而不是 PID（内核 TGID），这就是为什么每个线程都有一个单独的线程。

随着 NPTL 的出现，大多数采用 PID 参数或作用于调用进程的系统调用已更改为将 PID 视为 TGID 并作用于整个“线程组”（POSIX过程）。

Answer 2

想象某种“元实体”。如果实体不共享其父级的任何资源（地址空间、文件描述符等），那么它就是一个进程，如果该实体共享其父级的所有资源，那么它就是一个线程。你甚至可以在进程和线程之间有一些中间的东西（例如，一些资源共享而一些不共享）。看看“clone()”系统调用（例如http://linux.die.net/man/2/clone），你会发现 Linux 内部是这样处理的。

现在将其隐藏在某种抽象之后，使一切看起来像一个进程或一个线程。如果抽象是完美的，你永远不会知道“实体”和“进程和线程”之间的区别。不过，抽象并不是完美无缺的——您看到的 PID 实际上是一个“实体 ID”。

Answer 3

在 Linux 上，每个线程都有一个线程 ID。主线程的线程 ID 充当进程 ID 的双重职责（并且在用户界面中相当有名）。线程 ID 是 Linux 的一个实现细节，与 POSIX ID 无关。有关更多详细信息，请参阅gettid 系统调用（纯 Python 不可用，因为它是特定于系统的）。