Linux 3.2 进程, 线程
前言
注意: 本文章默认你学过操作系统的进程部分,了解进程的概念.
我们都知道, 在 Linux 中, 我们使用 LWP 来描述线程, 即不区分线程/进程, 统一用 task_struct 描述它.
但是在 Linux 中, 线程, 进程, 进程组实际上还是有点区别的.
这篇文章来聊聊进程, 线程.
1.Linux 的 task_struct
1.1 task_struct 结构体介绍
如 LKD 中所讲的, Linux 采用 task_struct 来描述进程.
当然, 这只是简写. 实际上, Linux 的 task_struct 要比文章中写的复杂的多. 每个字段的用途, 到时候穿插在其他文章讲吧, 一次性摆在这会容易绕晕.
1.2 CPU核心如何获取当前进程的的 task_struct?
答案藏在之前所讲的 current_thread_info 里面.
struct thread_info {struct task_struct *task;//...
}
之前文章讲过, 在 x86_64 中, thread_info 存在于当前 CPU 核心的内核栈中, 而 current_thread_info 就是获取这个变量.
那我们只需要执行以下代码, 就可以获取当前正在执行的 task_struct 了:
struct task_struct* tsk = current_thread_info()->task;
2.Linux 中的进程链表
首先我们要研究的就是 task_struct 中的如下几个字段.
struct task_struct {struct list_head sibling; //兄弟节点struct list_head children; //孩子节点struct list_head real_parent; //创建时候的父进程struct list_head parent; //更准确的说, 这个是负责接收收尸信号 SIGCHLD 的进程struct signal_struct signal; //后面要考
};
每个字段的作用, 都在上面注释的很清楚了.
Linux 中, 管理进程用的是树
不过,这棵树的组织方式有点特殊, 是长这样的...
图中连着的节点, 就是list_head.
这个 list_head 是一个链表节点, 是嵌在 task_struct 中的.
内核获取到这个 list_head 对象后, 可以直接使用 container_of 宏来获取包含它的结构体, 也就是说, 你我们可以这么干:
struct task_struct* tsk = container_of(sibling);
此时, sibling 链表节点就相当于一个身份牌, 我们只需要通过遍历链表, 来知道这个身份牌, 然后使用 container_of 宏就可以通过这个身份牌获取到整个进程信息.
关于这方面的解释, 可以见我关于数据结构的blog, 我先挖个坑吧(好吧, 日常挖坑)
3.线程
在 LKD 中是这么描述线程的:
clone](thread_clone.png)
对, 在调度器的眼中, 线程就是 共享地址空间, 共享打开文件表, 共享文件系统, 共享信号 的进程. task_struct是参与调度的最小单位.
但是, 这只是在调度器的眼中, 既然是线程, 那肯定会做一些特殊处理, 并且肯定会以某种奇怪的方式存在于进程中.
为了探究这些, 让我们看一下 fork 的其中几行源代码(准确的说, 是 copy_process):
if (clone_flags & CLONE_THREAD) {//线程组current->signal->nr_threads++; //持有信号的总线程数量+1atomic_inc(¤t->signal->live); //存活线程+1atomic_inc(¤t->signal->sigcnt); //此结构体的引用计数+1p->group_leader = current->group_leader; //设置线程组的组长list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group);//thread_group加入线程组链表，方便内核foreach同一线程组内的所有线程}
相信你们第一看到这个代码的时候, 估计整个人都懵了吧, 反正我是懵了:
current->signal是什么鬼??? thread_group又是什么鬼???
答案就在---
4. 线程组和进程
对, 没想到吧? Linux 中, 进程实际上就是一组线程, 换句话说, 一个线程组.
而线程组那肯定就得有一个组长(group_leader), 而这个组长, 就代表整个组, 也就是进程. 在 Linux 中, 有一个函数, 可以判断一个 task_struct 是不是进程(更准确的说, 线程组的组长):
static inline bool thread_group_leader(struct task_struct *p);
4.1 这个线程组的组员存在哪?
那其他不是组长的进程, 存在哪呢?
误区: 上面的 sibling, parent 等成员都描述的是进程. 线程是不能存在这些链表中的.
对于线程, task_struct有一个专门的链表来存放这些线程:
struct task_struct {struct list_head thread_group; //线程组
};
所有进程的子线程, 都会存放在这. 而子线程添加线程组的代码, 位于上面所描述的这行:
INIT_LIST_HEAD(&p->thread_group);//...if (clone_flags & CLONE_THREAD) //线程组list_add_tail_rcu(&p->thread_group, &p->group_leader->thread_group);//thread_group加入线程组链表，方便内核foreach同一线程组内的所有线程
4.2 signal_struct->live又是什么鬼?
然后, 还有一点, 就是必须有一堆结构体, 来管理线程组, 其中有一个结构体是长这样的
struct signal_struct {atomic_t sigcnt; //对结构体的引用计数?atomic_t live; //还有多少个活着的进程?//...
}
关于引用计数 sigcnt, 这个涉及到另一个主题--资源引用计数.
这个结构体说来话长, 原来是管信号的. 后面开发者发现这个结构体的一些其他的东西可以用来管进程本身, 于是顺带就拿来管理进程了, 例如这个 live 变量, 就是线程组中剩下的线程的数量.
这个 live 变量在初始化的时候, 在 copy_signal 函数里:
static int copy_signal(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{struct signal_struct *sig;if (clone_flags & CLONE_THREAD) //状态是线程return 0; //不予初始化sig = kmem_cache_zalloc(signal_cachep, GFP_KERNEL); //分配内存块tsk->signal = sig; //设置信号if (!sig)return -ENOMEM;sig->nr_threads = 1; //初始化为1atomic_set(&sig->live, 1); //存活进程为1atomic_set(&sig->sigcnt, 1); //进程信号为1//...
}
如图, 这玩意在 tsk 为进程的时候, 压根不给机会初始化, 所以也不会进行 live 和 sigcnt 的设置.
而在 copy_process 中, 才会对线程的 live 和 sigcnt 做自增:
if (clone_flags & CLONE_THREAD) {//线程current->signal->nr_threads++; //持有信号的总线程数量+1atomic_inc(¤t->signal->live); //存活线程+1atomic_inc(¤t->signal->sigcnt); //此结构体的引//...}
于是, 就有了上面的代码.
那你可能会问了:
5. 父子进程是如何关联的? pid, tgid到底是什么?
还是在 copy_process 中, 有几行很有趣的代码:
p->pid = pid_nr(pid);p->tgid = p->pid;if (clone_flags & CLONE_THREAD) //线程p->tgid = current->tgid; //线程的tgid是父亲进程//...if (clone_flags & (CLONE_PARENT|CLONE_THREAD)) {p->real_parent = current->real_parent;} else {p->real_parent = current;}
首先来看上面的代码, 它貌似给每个进程都分配了 pid, 但是这个其实并不是我们用户态下看到的pid. 在线程的语境下, 这个其实是线程的 tid(线程ID) .
而我们在用户态下看到的 pid, 实际上是 线程组ID(tgid). 所以, 你会看到当 CLONE_THREAD 的时候, 它 tgid 是当前进程的 pid(仔细想想, 就清楚了, 这样能保证 嵌套线程也能获得进程的pid).
下面的代码处理了一个什么情况呢? 那就是线程套线程的情况. 当p是线程的时候, 父进程的语义就变了, 变成线程组长 (这甚至适用于子线程创建子线程的场景, 稍微细想一下就明白了).
The End
本期文章写到这, 感谢大家的观看哦~萌新初涉 Linux 内核, 有错误也请多多指正~