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Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

Linux 中的进程其实就是一个数据结构,顺带可以理解文件描述符、重定向、管道命令的底层工作原理,最后我们从操作系统的角度看看为什么说线程和进程基本没有区别。

作者:Java互联网架构来源:Java互联网架构|2020-02-07 18:16

说到进程,恐怕面试中最常见的问题就是线程和进程的关系了,那么先说一下答案: 在 Linux 系统中,进程和线程几乎没有区别 。

Linux 中的进程其实就是一个数据结构,顺带可以理解文件描述符、重定向、管道命令的底层工作原理,最后我们从操作系统的角度看看为什么说线程和进程基本没有区别。

一、进程是什么

首先,抽象地来说,我们的计算机就是这个东西:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

这个大的矩形表示计算机的 内存空间 ,其中的小矩形代表 进程 ,左下角的圆形表示 磁盘 ,右下角的图形表示一些 输入输出设备 ,比如鼠标键盘显示器等等。另外,注意到内存空间被划分为了两块,上半部分表示 用户空间 ,下半部分表示 内核空间 。

用户空间装着用户进程需要使用的资源,比如你在程序代码里开一个数组,这个数组肯定存在用户空间;内核空间存放内核进程需要加载的系统资源,这一些资源一般是不允许用户访问的。但是注意有的用户进程会共享一些内核空间的资源,比如一些动态链接库等等。

我们用 C 语言写一个 hello 程序,编译后得到一个可执行文件,在命令行运行就可以打印出一句 hello world,然后程序退出。在操作系统层面,就是新建了一个进程,这个进程将我们编译出来的可执行文件读入内存空间,然后执行,最后退出。

你编译好的那个可执行程序只是一个文件,不是进程,可执行文件必须要载入内存,包装成一个进程才能真正跑起来。进程是要依靠操作系统创建的,每个进程都有它的固有属性,比如进程号(PID)、进程状态、打开的文件等等,进程创建好之后,读入你的程序,你的程序才被系统执行。

那么,操作系统是如何创建进程的呢? 对于操作系统,进程就是一个数据结构 ,我们直接来看 Linux 的源码:

struct task_struct { // 进程状态 long state; // 虚拟内存结构体 struct mm_struct *mm; // 进程号 pid_t pid; // 指向父进程的指针 struct task_struct *parent; // 子进程列表 struct list_head children; // 存放文件系统信息的指针 struct fs_struct *fs; // 一个数组,包含该进程打开的文件指针 struct files_struct *files;};

task_struct 就是 Linux 内核对于一个进程的描述,也可以称为「进程描述符」。源码比较复杂,我这里就截取了一小部分比较常见的。

我们主要聊聊 mm 指针和 files 指针。 mm 指向的是进程的虚拟内存,也就是载入资源和可执行文件的地方; files 指针指向一个数组,这个数组里装着所有该进程打开的文件的指针。

二、文件描述符是什么

先说 files ,它是一个文件指针数组。一般来说,一个进程会从 files[0] 读取输入,将输出写入 files[1] ,将错误信息写入 files[2] 。

举个例子,以我们的角度 C 语言的 printf 函数是向命令行打印字符,但是从进程的角度来看,就是向 files[1] 写入数据;同理, scanf 函数就是进程试图从 files[0] 这个文件中读取数据。

每个进程被创建时, files 的前三位被填入默认值,分别指向标准输入流、标准输出流、标准错误流。我们常说的「文件描述符」就是指这个文件指针数组的索引 ,所以程序的文件描述符默认情况下 0 是输入,1 是输出,2 是错误。

我们可以重新画一幅图:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

对于一般的计算机,输入流是键盘,输出流是显示器,错误流也是显示器,所以现在这个进程和内核连了三根线。因为硬件都是由内核管理的,我们的进程需要通过「系统调用」让内核进程访问硬件资源。

PS:不要忘了,Linux 中一切都被抽象成文件,设备也是文件,可以进行读和写。

如果我们写的程序需要其他资源,比如打开一个文件进行读写,这也很简单,进行系统调用,让内核把文件打开,这个文件就会被放到 files 的第 4 个位置,对应文件描述符 3:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

明白了这个原理, 输入重定向 就很好理解了,程序想读取数据的时候就会去 files[0] 读取,所以我们只要把 files[0] 指向一个文件,那么程序就会从这个文件中读取数据,而不是从键盘:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

同理, 输出重定向 就是把 files[1] 指向一个文件,那么程序的输出就不会写入到显示器,而是写入到这个文件中:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

错误重定向也是一样的,就不再赘述。

管道符其实也是异曲同工,把一个进程的输出流和另一个进程的输入流接起一条「管道」,数据就在其中传递,不得不说这种设计思想真的很巧妙:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

到这里,你可能也看出「Linux 中一切皆文件」设计思路的高明了,不管是设备、另一个进程、socket 套接字还是真正的文件,全部都可以读写,统一装进一个简单的 files 数组,进程通过简单的文件描述符访问相应资源,具体细节交于操作系统,有效解耦,优美高效。

三、线程是什么

首先要明确的是,多进程和多线程都是并发,都可以提高处理器的利用效率,所以现在的关键是,多线程和多进程有啥区别。

为什么说 Linux 中线程和进程基本没有区别呢,因为从 Linux 内核的角度来看,并没有把线程和进程区别对待。

我们知道系统调用 fork() 可以新建一个子进程,函数 pthread() 可以新建一个线程。 但无论线程还是进程,都是用 task_struct 结构表示的,唯一的区别就是共享的数据区域不同 。

换句话说,线程看起来跟进程没有区别,只是线程的某些数据区域和其父进程是共享的,而子进程是拷贝副本,而不是共享。就比如说, mm 结构和 files 结构在线程中都是共享的,我画两张图你就明白了:

「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理
「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

所以说,我们的多线程程序要利用锁机制,避免多个线程同时往同一区域写入数据,否则可能造成数据错乱。

那么你可能问, 既然进程和线程差不多,而且多进程数据不共享,即不存在数据错乱的问题,为什么多线程的使用比多进程普遍得多呢 ?

因为现实中数据共享的并发更普遍呀,比如十个人同时从一个账户取十元,我们希望的是这个共享账户的余额正确减少一百元,而不是希望每人获得一个账户的拷贝,每个拷贝账户减少十元。

当然,必须要说明的是, 只有 Linux 系统将线程看做共享数据的进程 ,不对其做特殊看待 ,其他的很多操作系统是对线程和进程区别对待的,线程有其特有的数据结构,我个人认为不如 Linux 的这种设计简洁,增加了系统的复杂度。

在 Linux 中新建线程和进程的效率都是很高的,对于新建进程时内存区域拷贝的问题,Linux 采用了 copy-on-write 的策略优化,也就是并不真正复制父进程的内存空间,而是等到需要写操作时才去复制。 所以 Linux 中新建进程和新建线程都是很迅速的 。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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