大家好，我是飛哥！

關(guān)于進程和線程，在 Linux 中是一對兒很核心的概念。但是進程和線程到底有啥聯(lián)系，又有啥區(qū)別，很多人還都沒有搞清楚。

在網(wǎng)上對進程和線程的討論中，很多都是聚集在這二位有啥不同。但事實在 Linux 上，進程和線程的相同點要遠遠大于不同點。在 Linux 下的線程甚至都被稱為了輕量級進程。

我今天就給大家從 Linux 內(nèi)核實現(xiàn)的角度，給大家深度對比下進程和線程。

一、線程的創(chuàng)建方法

在 Redis 6.0 以上的版本里，也開始支持使用多線程來提供核心服務，我們就以它為例。

在 Redis 主線程啟動以后，會調(diào)用 initThreadedIO 來創(chuàng)建多個 io 線程。

redis 源碼地址：https://github.com/redis/redis

創(chuàng)建線程具體調(diào)用的是 pthread_create 函數(shù)，pthread_create 是在 glibc 庫中實現(xiàn)的。在 glibc 庫中，pthread_create 函數(shù)的實現(xiàn)調(diào)用路徑是 __pthread_create_2_1 -> create_thread。其中 create_thread 這個函數(shù)比較重要，它設置了創(chuàng)建線程時使用的各種 flag 標記。

在上面的代碼中，傳入參數(shù)中的各個 flag 標記是非常關(guān)鍵的。這里我們先知道一下傳入了 CLONE_VM、CLONE_FS、CLONE_FILES 等標記就行了，后面我們會講內(nèi)核中針對這些參數(shù)做的特殊處理。

接下來的 do_clone 最終會調(diào)用一段匯編程序，在匯編里進入 clone 系統(tǒng)調(diào)用，之后會進入內(nèi)核中進行處理。

二、內(nèi)核中對線程的表示

在開始介紹線程的創(chuàng)建過程之前，先給大家看看內(nèi)核中表示線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

開篇的時候我說了，進程和線程的相同點要遠遠大于不同點。主要依據(jù)就是在 Linux 中，無論進程還是線程，都是抽象成了 task 任務，在源碼里都是用 task_struct 結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。

我們來看 task_struct 具體的定義，它位于 include/linux/sched.h

這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在上一篇文章《Linux進程是如何創(chuàng)建出來的？》中，我們詳細介紹過了。

對于線程來講，所有的字段都是和進程一樣的（本來就是一個結(jié)構(gòu)體來表示的）。包括狀態(tài)、pid、task 樹關(guān)系、地址空間、文件系統(tǒng)信息、打開的文件信息等等字段，線程也都有。

這也就是我前面說的，進程和線程的相同點要遠遠大于不同點，本質(zhì)上是同一個東西，都是一個 task_struct ！正因為進程線程如此之相像，所以在 Linux 下的線程還有另外一個名字，叫輕量級進程。至于說輕量在哪兒，稍后我們再說。

這里我們稍微說一下 pid 和 tgid 這兩個字段。在 Linux 中，每一個 task_struct 都需要被唯一的標識，它的 pid 就是唯一標識號。

對于進程來說，這個 pid 就是我們平時常說的進程 pid。

對于線程來說，我們假如一個進程下創(chuàng)建了多個線程出來。那么每個線程的 pid 都是不同的。但是我們一般又需要記錄線程是屬于哪個進程的。這時候，tgid 就派上用場了，通過 tgid 字段來表示自己所歸屬的進程 ID。

這樣內(nèi)核通過 tgid 可以知道線程屬于哪個進程。

三、線程創(chuàng)建過程

要想知道進程和線程的區(qū)別到底在哪兒，我們從線程的創(chuàng)建過程來詳細看一下。

3.1 回顧進程創(chuàng)建

在《Linux進程是如何創(chuàng)建出來的？》一文中我們了解了進程的創(chuàng)建過程。事實上，進程線程創(chuàng)建的時候，使用的函數(shù)看起來不一樣。但實際在底層實現(xiàn)上，最終都是使用同一個函數(shù)來實現(xiàn)的。

我們再簡單回顧一下創(chuàng)建進程時 fork 系統(tǒng)調(diào)用的源碼，fork 調(diào)用主要就是執(zhí)行了 do_fork 函數(shù)。注意：fork 函數(shù)調(diào)用 do_fork 的傳的參數(shù)分別是SIGCHLD、0,0,NULL,NULL。

do_fork 函數(shù)又調(diào)用 copy_process 完成進程的創(chuàng)建。

3.2 線程的創(chuàng)建

我們在本文第一小節(jié)里介紹到 lib 庫函數(shù) pthread_create 會調(diào)用到 clone 系統(tǒng)調(diào)用，為其傳入了一組 flag。

好，我們找到 clone 系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)。

同樣，do_fork 函數(shù)還是會執(zhí)行到 copy_process 來完成實際的創(chuàng)建。

3.3 進程線程創(chuàng)建異同

可見和創(chuàng)建進程時使用的 fork 系統(tǒng)調(diào)用相比，創(chuàng)建線程的 clone 系統(tǒng)調(diào)用幾乎和 fork 差不多，也一樣使用的是內(nèi)核里的 do_fork 函數(shù)，最后走到 copy_process 來完整創(chuàng)建。

不過創(chuàng)建過程的區(qū)別是二者在調(diào)用 do_fork 時傳入的 clone_flags 里的標記不一樣！。

創(chuàng)建進程時的 flag：僅有一個 SIGCHLD

創(chuàng)建線程時的 flag：包括 CLONE_VM、CLONE_FS、CLONE_FILES、CLONE_SIGNAL、CLONE_SETTLS、CLONE_PARENT_SETTID、CLONE_CHILD_CLEARTID、CLONE_SYSVSEM。

關(guān)于這些 flag 的含義，我們選幾個關(guān)鍵的做一個簡單的介紹，后面介紹 do_fork 細節(jié)的時候會再次涉及到。

CLONE_VM: 新 task 和父進程共享地址空間

CLONE_FS：新 task 和父進程共享文件系統(tǒng)信息

CLONE_FILES：新 task 和父進程共享文件描述符表

這些 flag 會對 task_struct 產(chǎn)生啥影響，我們接著看接下來的內(nèi)容。

四、揭秘 do_fork 系統(tǒng)調(diào)用

在本節(jié)中我們以動態(tài)的視角來看一下線程的創(chuàng)建過程.

前面我們看到，進程和線程創(chuàng)建都是調(diào)用內(nèi)核中的 do_fork 函數(shù)來執(zhí)行的。在 do_fork 的實現(xiàn)中，核心是一個 copy_process 函數(shù)，它以拷貝父進程（線程）的方式來生成一個新的 task_struct 出來。

在創(chuàng)建完畢后，調(diào)用 wake_up_new_task 將新創(chuàng)建的任務添加到就緒隊列中，等待調(diào)度器調(diào)度執(zhí)行。這個代碼很長，我對其進行了一定程度的精簡。

可見，copy_process 先是復制了一個新的 task_struct 出來，然后調(diào)用 copy_xxx 系列的函數(shù)對 task_struct 中的各種核心對象進行拷貝處理，還申請了 pid 。接下來我們分小節(jié)來查看該函數(shù)的每一個細節(jié)。

4.1 復制 task_struct 結(jié)構(gòu)體

注意一下，上面調(diào)用 dup_task_struct 時傳入的參數(shù)是 current，它表示的是當前任務。在 dup_task_struct 里，會申請一個新的 task_struct 內(nèi)核對象，然后將當前任務復制給它。需要注意的是，這次拷貝只會拷貝 task_struct 結(jié)構(gòu)體本身，它內(nèi)部包含的 mm_struct 等成員不會被復制。

我們來簡單看下具體的代碼。

其中 alloc_task_struct_node 用于在 slab 內(nèi)核內(nèi)存管理區(qū)中申請一塊內(nèi)存出來。關(guān)于 slab 機制請參考- 內(nèi)核內(nèi)存管理

申請完內(nèi)存后，調(diào)用 arch_dup_task_struct 進行內(nèi)存拷貝。

4.2 拷貝打開文件列表

我們先回憶一下前面的內(nèi)容，創(chuàng)建線程調(diào)用 clone 系統(tǒng)調(diào)用的時候，傳入了一堆的 flag，其中有一個就是 CLONE_FILES。如果傳入了 CLONE_FILES 標記，就會復用當前進程的打開文件列表 - files 成員。

好了，我們繼續(xù)看 copy_files 具體實現(xiàn)。

從代碼看出，如果指定了 CLONE_FILES（創(chuàng)建線程的時候），只是在原有的 files_struct 里面 +1 就算是完事了，指針不變，仍然是復用創(chuàng)建它的進程的 files_struct 對象。

這就是進程和線程的其中一個區(qū)別，對于進程來講，每一個進程都需要獨立的 files_struct。但是對于線程來講，它是和創(chuàng)建它的線程復用 files_struct 的。

4.3 拷貝文件目錄信息

再回憶一下創(chuàng)建線程的時候，傳入的 flag 里也包括 CLONE_FS。如果指定了這個標志，就會復用當前進程的文件目錄 - fs 成員。

對于創(chuàng)建進程來講，沒有傳入這個標志，就會新創(chuàng)建一個 fs 出來。
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好，我們繼續(xù)看 copy_fs 的實現(xiàn)。

和 copy_files 函數(shù)類似，在 copy_fs 中如果指定了 CLONE_FS（創(chuàng)建線程的時候），并沒有真正申請獨立的 fs_struct 出來，近幾年只是在原有的 fs 里的 users +1 就算是完事。

而在創(chuàng)建進程的時候，由于沒有傳遞這個標志，會進入到 copy_fs_struct 函數(shù)中申請新的 fs_struct 并進行賦值拷貝。

4.4 拷貝內(nèi)存地址空間

創(chuàng)建線程的時候帶了 CLONE_VM 標志，而創(chuàng)建進程的時候沒帶。接下來在 copy_mm 函數(shù) 中會根據(jù)是否有這個標志來決定是該和當前線程共享一份地址空間 mm_struct，還是創(chuàng)建一份新的。

對于線程來講，由于傳入了 CLONE_VM 標記，所以不會申請新的 mm_struct 出來，而是共享其父進程的。

多線程程序中的所有線程都會共享其父進程的地址空間。
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而對于多進程程序來說，每一個進程都有獨立的 mm_struct(地址空間)。
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因為在內(nèi)核中線程和進程都是用 task_struct 來表示，只不過線程和進程的區(qū)別是會和創(chuàng)建它的父進程共享打開文件列表、目錄信息、虛擬地址空間等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，會更輕量一些。所以在 Linux 下的線程也叫輕量級進程。

在打開文件列表、目錄信息、內(nèi)存虛擬地址空間中，內(nèi)存虛擬地址空間是最重要的。因此區(qū)分一個 Task 任務該叫線程還是該叫進程，一般習慣上就看它是否有獨立的地址空間。如果有，就叫做進程，沒有，就叫做線程。

這里展開多說一句，對于內(nèi)核任務來說，無論有多少個任務，其使用地址空間都是同一個。所以一般都叫內(nèi)核線程，而不是內(nèi)核進程。

五 結(jié)論

創(chuàng)建線程的整個過程我們就介紹完了。回頭總結(jié)一下，對于線程來講，其地址空間 mm_struct、目錄信息 fs_struct、打開文件列表 files_struct 都是和創(chuàng)建它的任務共享的。

但是對于進程來講，地址空間 mm_struct、掛載點 fs_struct、打開文件列表 files_struct 都要是獨立擁有的，都需要去申請內(nèi)存并初始化它們。
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總之，在 Linux 內(nèi)核中并沒有對線程做特殊處理，還是由 task_struct 來管理。從內(nèi)核的角度看，用戶態(tài)的線程本質(zhì)上還是一個進程。只不過和普通進程比，稍微“輕量”了那么一些。

那么線程具體能輕量多少呢？我之前曾經(jīng)做過一個進程和線程的上下文切換開銷測試。進程的測試結(jié)果是一次上下文切換平均 2.7 - 5.48 us 之間。線程上下文切換是 3.8 us左右?？偟膩碚f，進程線程切換還是沒差太多。