程序执行单位

程序：静态代码
进程：对操作系统正在运行的程序的一种抽象。进程是资源分配的最基本的单位，运行一个程序会创建一个或多个进程

线程：一个进程由多个线程组成，每个线程都在进程的上下文中，共享同样代码和全局数据。

  • 多线程比多进程更容易共享数据，线程更高效

    协程：是⼀种⽐线程更加轻量级的存在。正如⼀个进程可以拥有多个线程⼀样，⼀个线程也可以拥有多个协程。

    • 最重要的是，协程不是被操作系统内核所管理，⽽完全是由程序所控制（也就是在用户态中执⾏）。

进程是资源管理的最小单位，而线程是程序执行的最小单位

进程机制详解

进程（Process）

  • 是资源分配的基本单位。
  • 每个进程拥有自己独立的地址空间、代码段、数据段、文件描述符等。
  • 进程之间不能直接访问彼此的内存空间（除非共享内存等 IPC 手段）。

PCB（Process Control Block）

每一个进程在内核中都有一个对应的数据结构来描述它的状态，称为 进程控制块（PCB，Process Control Block），在 Linux 中是 task_struct 结构体。

task_struct 中包含以下核心内容：

  • pid: 当前进程的进程 ID。
  • ppid: 父进程的 ID。
  • state: 进程状态（运行中、就绪、阻塞、僵尸等）。
  • mm: 内存描述符，包含代码段、数据段、堆、栈等信息。
  • files: 文件描述符表。
  • sched: 调度信息。
  • signal: 信号处理表。
  • children: 子进程列表。

可以通过 ps, top, htop, /proc/[pid] 等接口查看这些信息。

fork() 创建新进程

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pid_t pid = fork();

调用 fork() 后，系统会创建一个与当前进程几乎一模一样的子进程，它们拥有独立的地址空间，但初始内容一致。

区分方式：

  • 父进程：fork() 返回子进程的 PID。
  • 子进程：fork() 返回 0。

注意：父子进程地址空间是复制的，但彼此独立（写时复制机制COW）。

当多线程进程调用fork（）时，仅会将发起调用的线程复制到子进程中。子进程中该线程的线程ID与父进程中发起fork（）调用线程的线程ID相一致。
其他线程均在子进程中消失，也不会为这些线程调用清理函数以及针对线程特有数据的解构函数。

fork的两个典型用法
(1) 一个进程创建一个自身的副本

  • 网络服务器的典型用法。

(2) 一个进程想要执行另一个程序。首先调用fork创建一个自身的副本，然后其中一个子进程调用exec把自身替换成新的程序。

  • shell之类程序的典型用法。

pid 与 ppid

pid（Process ID）：进程的唯一标识，由内核分配。

ppid（Parent PID）：父进程的 pid，在 task_struct 中通过 real_parent 字段引用。

当父进程结束，子进程的 ppid 会被自动改为 1，即 init（或 systemd）接管，防止出现孤儿进程。

exec()：用新程序替换当前进程映像

fork() 复制一个进程，而 exec() 则是替换当前进程所运行的程序，保留 PID 等属性

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#include <unistd.h>  
  
int execl(const char *path, const char *arg, ...);  
  
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);  
  
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);  
  
int execv(const char *path, char *const argv[]);  
  
int execvp(const char *file, char *const argv[]);  
  
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

wait() 与 waitpid()

父进程需要等待子进程执行完毕，以回收其资源（否则子进程可能变成僵尸进程，Z状态）。

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#include <sys/wait.h>
wait(NULL);

或者使用 waitpid(pid, &status, options) 精确等待某个子进程。

僵尸进程出现的原因：

  • 子进程退出后，仍保留其 task_struct 中的一部分（如退出码）供父进程读取。
  • 如果父进程从不调用 wait()，子进程退出后就会一直残留在 Z 状态。

Linux 内核会通过 do_exit() → release_task() 来清理资源。

线程机制详解

线程是 CPU 调度的基本单位，而进程是资源分配的单位。
虽然我们通常把“多线程”理解为一个进程内部并发执行的多个控制流，但在 Linux 的实现中，线程和进程的本质其实非常接近，它们都由统一的内核结构 task_struct 表示。

线程（Thread）

  • 是CPU 调度的最小单位。
  • 属于进程的一部分，多个线程共享同一个进程的资源（比如内存空间、文件等），但每个线程有自己的栈（stack）和寄存器（register context）。
  • 使用线程可以更轻量地实现并发。

在 Linux 中，线程并不是一个特殊的概念。线程就是一种特殊形式的进程，我们称之为 轻量级进程（LWP，Light Weight Process）。

  • 每个线程在内核中都由 task_struct 表示。
  • 所有线程共享相同的进程资源（内存空间、文件描述符、信号处理器等）。
  • 多个线程组成一个“线程组”，由 主线程（Group Leader） 管理。

协程（Coroutine）

  • 用户态实现的“轻量线程”，切换时不需要进入内核态。
  • 非抢占，靠用户调度。
  • Linux 用户空间实现：ucontext、libco、libuv、boost::coroutine、Python asyncio 等。

线程与进程的本质区别

特性 进程（Process） 线程（Thread）
地址空间 不共享（独立） 共享（同一进程）
文件描述符表 独立 通常共享
栈空间 独立 独立
调度 独立调度单元 也是独立调度单元
通信方式 需要 IPC（管道、信号等） 直接通过共享内存

每个线程和进程都对应一个 task_struct，只是线程共享了更多资源。

clone() 线程的创建机制

Linux 中线程和进程的创建都通过一个底层的系统调用 clone()。

函数原型（简化）：

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int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

clone() 的关键点：

  • flags 参数决定子进程与父进程共享哪些资源。
  • 创建“线程”的关键是设置合适的 flags，例如：
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    CLONE_VM        // 共享内存空间
    CLONE_FS        // 共享文件系统信息（cwd 等）
    CLONE_FILES     // 共享文件描述符
    CLONE_SIGHAND   // 共享信号处理器
    CLONE_THREAD    // 加入父线程所在的线程组
    使用这些标志组合，就可以创建一个“线程”而非独立进程。