线程/进程

肆忆_
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一.线程是什么

线程 = 一组用于“让 CPU 能从上次停下的地方继续执行”的运行时状态集合。

线程是执行所需状态的载体。

线程本身不执行代码，
Core 执行代码；
线程只是告诉 Core：
“我上次跑到这里了，你接着从这儿跑。”

二.线程是由什么组成的

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✅ 1️⃣ 寄存器上下文（Register Context）——最核心

这是线程“能继续跑”的根本。

至少包括：

  • PC / RIP：程序计数器（下一条要执行的指令）

  • SP / RSP：栈指针

  • 通用寄存器（保存中间计算结果）

  • 标志寄存器（条件码等）

没有寄存器上下文，线程就不知道自己跑到哪了。

📌 上下文切换的本质：
就是保存当前线程的寄存器 + 恢复另一个线程的寄存器。

✅ 2️⃣ 栈（Stack）——执行历史与调用现场

每个线程必须有自己的栈。

栈里通常存着：

  • 函数调用链（return address）

  • 局部变量

  • 保存的寄存器值（callee-saved）

  • 异常处理信息等

多线程共享代码、共享堆，
但绝对不能共享栈。

📌 这也是为什么：

  • 同一个函数

  • 在两个线程里

  • 可以同时运行而不互相覆盖局部变量

✅ 3️⃣ 线程控制块（TCB / task_struct）——OS 视角的线程本体

这是内核用来管理线程的数据结构。

里面通常包含：

  • 线程 ID

  • 当前状态（running / runnable / blocked）

  • 调度信息（优先级、时间片）

  • 所属进程

  • 栈指针、寄存器保存区指针

  • CPU 亲和性信息

  • 信号、调度统计信息等

这是调度器“认识线程”的唯一方式。

✅ 4️⃣ 所属进程的资源视图（Shared Context）

线程不拥有完整资源，而是共享进程的：

  • 虚拟地址空间

  • 堆（heap）

  • 全局变量

  • 文件描述符

  • 信号处理设置（大多）

所以你可以这样理解：

进程 = 资源容器
线程 = 执行容器

把这些拼起来，一张“真实结构图”（文字版）

线程
├── 寄存器上下文（能不能继续执行）
├── 私有栈（执行路径）
├── 线程控制块 TCB（调度与管理）
└── 共享进程资源
     ├── 地址空间
     ├── 堆
     ├── 全局变量
     └── 文件描述符

三.线程的作用

  1. 实现并发执行​ 在一个进程内开启多个线程，可以让多个任务看似“同时”推进，提高 CPU 利用率，尤其是当一个线程因 I/O 等待而停顿时，其他线程可以继续运行。
  2. 减少上下文切换成本（相对进程） ​ 因为线程共享进程的地址空间和资源，切换时只需保存/恢复寄存器上下文和栈，不必切换页表等内核结构，所以比进程切换快得多。
  3. 简化数据共享与通信​ 同一进程的线程天然共享堆、全局变量、文件描述符等，数据传递无需额外的 IPC 机制（但也需注意同步问题，如竞态条件）。
  4. 充分利用多核 CPU​ 内核级线程可由操作系统调度到不同核心并行执行，实现真正的硬件并行，提高吞吐量。

四、进程是什么

进程 = 程序的一次执行实例 + 它拥有的资源集合 + 至少一个执行流（线程）。

从操作系统视角看：

  • 进程是资源分配的基本单位（内存、文件、信号处理权等分配给进程）
  • 进程是独立地址空间的保护边界（一个进程崩溃通常不会直接影响另一个进程）
  • 现代操作系统中，进程至少包含一个线程（Linux 2.x 里甚至用轻量级进程来模拟线程），线程才是 CPU 调度的基本单位。

换句话说： 进程 = 资源 + 状态 + 至少一个执行流（线程） ​ 没有线程的进程只是一个静态的资源壳，无法执行代码。

五、进程的组成

1. 操作系统管理视角：进程控制块（PCB）、程序段、数据段

  • PCB在 Linux 中是 task_struct，相当于“进程的身份证和档案”

  • 内容包括：

    • 进程标识（PID、PPID、TGID）
    • 进程状态（运行、睡眠、僵尸等）
    • 调度信息（优先级、策略）
    • 内存管理指针（mm_struct）
    • 文件描述符表（files_struct）
    • 信号处理结构
    • 资源限制（rlimit）
    • 上下文指针（指向寄存器备份、内核栈等）

  • 程序段

    程序段是进程的一部分，包含了程序的代码，即指令序列。程序段是静态的，存放在磁盘上的可执行文件中。

  • 数据段

    数据段是进程在运行过程中产生的各种数据，包括程序中定义的变量等。数据段也是静态的，反映了进程在某一时刻的状态。

2. 程序运行内存视角：进程地址空间布局

从高地址到低地址一般包括：

  • 内核空间：所有进程共享，只有内核态能访问
  • 栈（Stack） ：每个线程独有，向下增长，存局部变量、调用链
  • 内存映射段：动态库、mmap 文件
  • 堆（Heap） ：动态分配内存，向上增长
  • BSS 段：未初始化的全局/静态变量（加载时清零）
  • 数据段（.data） ：已初始化的全局/静态变量
  • 文本段（.text） ：程序代码（只读）

3. 进程的资源集合

  • 虚拟地址空间：代码、数据、堆、栈、共享库的映射
  • 文件描述符表：打开的文件、socket、管道等
  • 信号处理设置：如何响应异步事件
  • 工作目录、根目录等文件系统信息
  • 线程集合：至少一个主线程，可创建更多线程

六、进程的作用

  1. 资源隔离与保护​ 每个进程有独立的虚拟地址空间，一个进程的错误（如空指针解引用）不会影响其他进程，提高了系统的稳定性和安全性。
  2. 资源管理的基本单位​ 操作系统以进程为单位分配内存、文件句柄、网络端口等资源，进程间资源互不干扰。
  3. 提供执行环境​ 进程为代码执行提供完整的上下文：地址空间、文件、信号处理等，使程序能独立于其他程序运行。
  4. 支持并发与多任务​ 多进程可以在宏观上同时运行（在多核 CPU 上可真正并行），实现多任务操作系统的基础。
  5. 简化错误恢复​ 一个进程崩溃可以被操作系统回收，不影响整个系统或其他进程的运行（守护进程、服务常采用多进程架构）。

七、线程与进程的关系总结（结构化）

维度进程（Process）线程（Thread）
本质资源 + 至少一个执行流的容器执行流的载体（寄存器+栈+TCB）
资源拥有独立地址空间、文件描述符等共享进程资源
切换成本高（切换页表、刷新 TLB 等）低（仅寄存器、栈）
调度单位现代 OS 中调度的基本单位是线程直接被调度器调度
隔离性强（一个进程崩溃不影响别的进程）弱（线程崩溃可能导致整个进程终止）
通信方式IPC（管道、消息队列、共享内存等）直接读写共享变量（需同步）
创建开销大（分配资源、建立地址空间）小（共享资源，仅分配栈和 TCB）
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