linux线程浅析

关于linux线程

在许多经典的操作系统教科书中，总是把进程定义为程序的执行实例，它并不执行什么，只是维护应用程序所需的各种资源。而线程则是真正的执行实体，为了让进程完成一定的工作，进程必须至少包含一个线程。

进程所维护的是程序所包含的资源（静态资源），如：地址空间，打开的文件句柄集，文件系统状态，信号处理handler等。
线程所维护的是运行相关的资源（动态资源），如：运行栈，调度相关的控制信息，待处理的信号集等。

然而，一直以来，linux内核并没有线程的概念。每一个执行实体都是一个task_struct结构，通常称之为进程。linux进程是一个执行单元，维护着执行相关的动态资源，同时，它又引用着程序所需的静态资源。通过系统调用clone创建子进程时，可以有选择性地让子进程共享父进程所引用的资源，这样的子进程通常称为轻量级进程。linux上的线程就是基于轻量级进程，由用户态的pthread库实现的。使用pthread以后，在用户看来，每一个task_struct就对应一个线程，而一组线程以及它们所共同引用的一组资源就是一个进程。

但是，一组线程并不仅仅是引用同一组资源就够了，它们还必须被视为一个整体，对此，POSIX标准提出了如下要求：

1、查看进程列表的时候，相关的一组task_struct应当被展现为列表中的一个节点
2、发送给这个“进程”的信号（对应kill系统调用），将被对应的这一组task_struct所共享，并且被其中的任意一个“线程”处理
3、发送给某个“线程”的信号（对应pthread_kill），将只被对应的一个task_struct接收，并且由它自己来处理
4、当“进程”被停止或继续时（对应SIGSTOP/SIGCONT信号），对应的这一组task_struct状态将改变
5、当“进程”收到一个致命信号（比如由于段错误收到SIGSEGV信号），对应的这一组task_struct将全部退出
6、等等（以上可能不够全）

linuxthreads

在linux 2.6以前，pthread线程库对应的实现是一个名叫linuxthreads的lib。linuxthreads利用前面提到的轻量级进程来实现线程，但是对于POSIX提出的那些要求，linuxthreads除了第5点以外，都没有实现（实际上是无能为力）：

1、如果运行了A程序，A程序创建了10个线程，那么在shell下执行ps命令时将看到11个A进程，而不是1个（注意，也不是10个，下面会解释）
2、不管是kill还是pthread_kill, 信号只能被一个对应的线程所接收
3、SIGSTOP/SIGCONT信号只对一个线程起作用

还好linuxthreads实现了第5点，我认为这一点是最重要的。如果某个线程“挂”了，整个进程还在若无其事地运行着，可能会出现很多的不一致状态，进程将不是一个整体，而线程也不能称为线程了。或许这也是为什么linuxthreads虽然与POSIX的要求差距甚远，却能够存在，并且还被使用了好几年的原因吧。但是，linuxthreads为了实现这个“第5点”，还是付出了很多代价，并且创造了linuxthreads本身的一大性能瓶颈。

接下来要说说为什么A程序创建了10个线程，但是ps时却会出现11个A进程了。因为linuxthreads自动创建了一个管理线程，上面提到的“第5点”就是靠管理线程来实现的。当程序开始运行时，并没有管理线程存在（因为尽管程序已经链接了pthread库，但是未必会使用多线程）。程序第一次调用pthread_create时，linuxthreads发现管理线程不存在，于是创建这个管理线程，这个管理线程是进程中的第一个线程（主线程）的儿子。然后在pthread_create中，会通过pipe向管理线程发送一个命令，告诉它创建线程，即是说，除主线程外，所有的线程都是由管理线程来创建的，管理线程是它们的父亲。于是，当任何一个子线程退出时，管理线程将收到SIGUSER1信号（这是在通过clone创建子线程时指定的）。管理线程在对应的sig_handler中会判断子线程是否正常退出，如果不是，则杀死所有线程，然后自杀。那么，主线程怎么办呢？主线程是管理线程的父亲，其退出时并不会给管理线程发信号，于是，在管理线程的主循环中通过getppid检查父进程的ID号，如果ID号是1，说明父亲已经退出，并把自己托管给了init进程(1号进程)，这时候，管理线程也会杀掉所有子线程，然后自杀。

可见, 线程的创建与销毁都是通过管理线程来完成的，于是管理线程就成了linuxthreads的一个性能瓶颈，创建与销毁需要一次进程间通信，一次上下文切换之后才能被管理线程执行，并且多个请求会被管理线程串行地执行。