Linux進程與線程的區別

這篇文章主要介紹“Linux進程與線程的區別”，在日常操作中，相信很多人在Linux進程與線程的區別問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Linux進程與線程的區別”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

0.首先，簡要了解一下進程和線程。對于操作系統而言，進程是核心之核心，整個現代操作系統的根本，就是以進程為單位在執行任務。系統的管理架構也是基于進程層面的。在按下電源鍵之后，計算機就開始了復雜的啟動過程，此處有一個經典問題：當按下電源鍵之后，計算機如何把自己由靜止啟動起來的？本文不討論系統啟動過程，請讀者自行科普。操作系統啟動的過程簡直可以描述為上帝創造萬物的過程，期初沒有世界，但是有上帝，是上帝創造了世界，之后創造了萬物，然后再創造了人，然后塑造了人的七情六欲，再然后人類社會開始遵循自然規律繁衍生息。。。操作系統啟動進程的階段就相當于上帝造人的階段。本文討論的全部內容都是“上帝造人”之后的事情。第一個被創造出來的進程是號進程，這個進程在操作系統層面是不可見的，但它存在著。號進程完成了操作系統的功能加載與初期設定，然后它創造了1號進程(init)，這個1號進程就是操作系統的“耶穌”。1號進程是上帝派來管理整個操作系統的，所以在用pstree查看進程樹可知，1號進程位于樹根。再之后，系統的很多管理程序都以進程身份被1號進程創造出來，還創造了與人類溝通的橋梁——shell。從那之后，人類可以跟操作系統進行交流，可以編寫程序，可以執行任務。。。

而這一切，都是基于進程的。每一個任務(進程)被創建時，系統會為他分配存儲空間等必要資源，然后在內核管理區為該進程創建管理節點，以便后來控制和調度該任務的執行。

進程真正進入執行階段，還需要獲得CPU的使用權，這一切都是操作系統掌管著，也就是所謂的調度，在各種條件滿足(資源與CPU使用權均獲得)的情況下，啟動進程的執行過程。

除CPU而外，一個很重要的資源就是存儲器了，系統會為每個進程分配獨有的存儲空間，當然包括它特別需要的別的資源，比如寫入時外部設備是可使用狀態等等。有了上面的引入，我們可以對進程做一個簡要的總結：

進程，是計算機中的程序關于某數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的基本單位，是操作系統結構的基礎。它的執行需要系統分配資源創建實體之后，才能進行。

隨著技術發展，在執行一些細小任務時，本身無需分配單獨資源時(多個任務共享同一組資源即可，比如所有子進程共享父進程的資源)，進程的實現機制依然會繁瑣的將資源分割，這樣造成浪費，而且還消耗時間。后來就有了專門的多任務技術被創造出來——線程。

線程的特點就是在不需要獨立資源的情況下就可以運行。如此一來會極大節省資源開銷，以及處理時間。

1.好了，前面的一段文字是簡要引入兩個名詞，即進程和線程。本文討論目標是解釋清楚進程和線程的區別，關于二者的技術實現，請讀者查閱相關資料。

下面我們開始重點討論本文核心了。從下面幾個方面闡述進程和線程的區別。

1).二者的相同點

2).實現方式的差異

3).多任務程序設計模式的區別

4).實體間(進程間，線程間，進線程間)通信方式的不同

5).控制方式的異同

6).資源管理方式的異同

7).個體間輩分關系的迥異

8).進程池與線程池的技術實現差別

接下來我們就逐個進行解釋。

1).二者的相同點

無論是進程還是線程，對于程序員而言，都是用來實現多任務并發的技術手段。二者都可以獨立調度，因此在多任務環境下，功能上并無差異。并且二者都具有各自的實體，是系統獨立管理的對象個體。所以在系統層面，都可以通過技術手段實現二者的控制。而且二者所具有的狀態都非常相似。而且，在多任務程序中，子進程(子線程)的調度一般與父進程(父線程)平等競爭。

其實在Linux內核2.4版以前，線程的實現和管理方式就是完全按照進程方式實現的。在2.6版內核以后才有了單獨的線程實現。

2).實現方式的差異

進程是資源分配的基本單位，線程是調度的基本單位。

這句經典名言已流傳數十年，各種操作系統教材都可見此描述。確實如此，這就是二者的顯著區別。讀者請注意“基本”二字。相信有讀者看到前半句的時候就在心里思考，“進程豈不是不能調度？”，非也！進程和線程都可以被調度，否則多進程程序該如何運行呢！

只是，線程是更小的可以調度的單位，也就是說，只要達到線程的水平就可以被調度了，進程自然可以被調度。它強調的是分配資源時的對象必須是進程，不會給一個線程單獨分配系統管理的資源。若要運行一個任務，想要獲得資源，最起碼得有進程，其他子任務可以以線程身份運行，資源共享就行了。

    簡而言之，進程的個體間是完全獨立的，而線程間是彼此依存的。多進程環境中，任何一個進程的終止，不會影響到其他進程。而多線程環境中，父線程終止，全部子線程被迫終止(沒有了資源)。而任何一個子線程終止一般不會影響其他線程，除非子線程執行了exit()系統調用。任何一個子線程執行exit()，全部線程同時滅亡。

其實，也沒有人寫出只有線程而沒有進程的程序。多線程程序中至少有一個主線程，而這個主線程其實就是有main函數的進程。它是整個程序的進程，所有線程都是它的子線程。我們通常把具有多線程的主進程稱之為主線程。

從系統實現角度講，進程的實現是調用fork系統調用：

pid_t fork(void);

線程的實現是調用clone系統調用：

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

/* pid_t *ptid, struct user_desc *tls, pid_t *ctid */

);

其中，fork()是將父進程的全部資源復制給了子進程。而線程的clone只是復制了一小部分必要的資源。在調用clone時可以通過參數控制要復制的對象。可以說，fork實現的是clone的加強完整版。當然，后來操作系統還進一步優化fork實現——寫時復制技術。在子進程需要復制資源(比如子進程執行寫入動作更改父進程內存空間)時才復制，否則創建子進程時先不復制。

實際中，編寫多進程程序時采用fork創建子進程實體。而創建線程時并不采用clone系統調用，而是采用線程庫函數。常用線程庫有Linux-Native線程庫和POSIX線程庫。其中應用最為廣泛的是POSIX線程庫。因此讀者在多線程程序中看到的是pthread_create而非clone。

我們知道，庫是建立在操作系統層面上的功能集合，因而它的功能都是操作系統提供的。由此可知，線程庫的內部很可能實現了clone的調用。不管是進程還是線程的實體，都是操作系統上運行的實體。

    最后，我們說一下vfork() 。這也是一個系統調用，用來創建一個新的進程。它創建的進程并不復制父進程的資源空間，而是共享，也就說實際上vfork實現的是一個接近線程的實體，只是以進程方式來管理它。并且，vfork()的子進程與父進程的運行時間是確定的：子進程“結束”后父進程才運行。請讀者注意“結束”二字。并非子進程完成退出之意，而是子進程返回時。一般采用vfork()的子進程，都會緊接著執行execv啟動一個全新的進程，該進程的進程空間與父進程完全獨立不相干，所以不需要復制父進程資源空間。此時，execv返回時父進程就認為子進程“結束”了，自己開始運行。實際上子進程繼續在一個完全獨立的空間運行著。舉個例子，比如在一個聊天程序中，彈出了一個視頻播放器。你說視頻播放器要繼承你的聊天程序的進程空間的資源干嘛？莫非視頻播放器想要窺探你的聊天隱私不成？懂了吧！

3).多任務程序設計模式的區別

由于進程間是獨立的，所以在設計多進程程序時，需要做到資源獨立管理時就有了天然優勢，而線程就顯得麻煩多了。比如多任務的TCP程序的服務端，父進程執行accept()一個客戶端連接請求之后會返回一個新建立的連接的描述符DES，此時如果fork()一個子進程，將DES帶入到子進程空間去處理該連接的請求，父進程繼續accept等待別的客戶端連接請求，這樣設計非常簡練，而且父進程可以用同一變量(val)保存accept()的返回值，因為子進程會復制val到自己空間，父進程再覆蓋此前的值不影響子進程工作。但是如果換成多線程，父線程就不能復用一個變量val多次執行accept()了。因為子線程沒有復制val的存儲空間，而是使用父線程的，如果子線程在讀取val時父線程接受了另一個客戶端請求覆蓋了該值，則子線程無法繼續處理上一次的連接任務了。改進的辦法是子線程立馬復制val的值在自己的棧區，但父線程必須保證子線程復制動作完成之后再執行新的accept()。但這執行起來并不簡單，因為子線程與父線程的調度是獨立的，父線程無法知道子線程何時復制完畢。這又得發生線程間通信，子線程復制完成后主動通知父線程。這樣一來父線程的處理動作必然不能連貫，比起多進程環境，父線程顯得效率有所下降。

PS：這里引述一個知名的面試問題：多進程的TCP服務端，能否互換fork()與accept()的位置？請讀者自行思考。

關于資源不獨立，看似是個缺點，但在有的情況下就成了優點。多進程環境間完全獨立，要實現通信的話就得采用進程間的通信方式，它們通常都是耗時間的。而線程則不用任何手段數據就是共享的。當然多個子線程在同時執行寫入操作時需要實現互斥，否則數據就寫“臟”了。

4).實體間(進程間，線程間，進線程間)通信方式的不同

進程間的通信方式有這樣幾種：

A.共享內存    B.消息隊列    C.信號量    D.有名管道    E.無名管道    F.信號

G.文件        H.socket

線程間的通信方式上述進程間的方式都可沿用，且還有自己獨特的幾種：

A.互斥量      B.自旋鎖      C.條件變量  D.讀寫鎖      E.線程信號

G.全局變量

值得注意的是，線程間通信用的信號不能采用進程間的信號，因為信號是基于進程為單位的，而線程是共屬于同一進程空間的。故而要采用線程信號。

綜上，進程間通信手段有8種。線程間通信手段有13種。

而且，進程間采用的通信方式要么需要切換內核上下文，要么要與外設訪問(有名管道，文件)。所以速度會比較慢。而線程采用自己特有的通信方式的話，基本都在自己的進程空間內完成，不存在切換，所以通信速度會較快。也就是說，進程間與線程間分別采用的通信方式，除了種類的區別外，還有速度上的區別。

另外，進程與線程之間穿插通信的方式，除信號以外其他進程間通信方式都可采用。
    線程有內核態線程與用戶級線程，相關知識請參看我的另一篇博文《Linux線程的實質》。

5).控制方式的異同

進程與線程的身份標示ID管理方式不一樣，進程的ID為pid_t類型，實際為一個int型的變量(也就是說是有限的)：

/usr/include/unistd.h:260:typedef __pid_t   pid_t;

/usr/include/bits/types.h:126:# define __STD_TYPE    typedef

/usr/include/bits/types.h:142:__STD_TYPE  __PID_T_TYPE   __pid_t;

/usr/include/bits/typesizes.h:53:#define __PID_T_TYPE   __S32_TYPE

/usr/include/bits/types.h:100:#define   __S32_TYPE      int

在全系統中，進程ID是唯一標識，對于進程的管理都是通過PID來實現的。每創建一個進程，內核去中就會創建一個結構體來存儲該進程的全部信息：

注：下述代碼來自 Linux內核3.18.1

include/linux/sched.h:1235:struct task_struct {

        volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */

        void *stack;

...

        pid_t pid;

        pid_t tgid;

...

};

每一個存儲進程信息的節點也都保存著自己的PID。需要管理該進程時就通過這個ID來實現(比如發送信號)。當子進程結束要回收時(子進程調用exit()退出或代碼執行完)，需要通過wait()系統調用來進行，未回收的消亡進程會成為僵尸進程，其進程實體已經不復存在，但會虛占PID資源，因此回收是有必要的。

線程的ID是一個long型變量：

/usr/include/bits/pthreadtypes.h:60:typedef unsigned long int pthread_t;

它的范圍大得多，管理方式也不一樣。線程ID一般在本進程空間內作用就可以了，當然系統在管理線程時也需要記錄其信息。其方式是，在內核創建一個內核態線程與之對應，也就是說每一個用戶創建的線程都有一個內核態線程對應。但這種對應關系不是一對一，而是多對一的關系，也就是一個內核態線程可以對應著多個用戶級線程。還是請讀者參看《Linux線程的實質》普及相關概念。此處貼出blog地址：

http://my.oschina.net/cnyinlinux/blog/367910

對于線程而言，若要主動終止需要調用pthread_exit() ，主線程需要調用pthread_join()來回收(前提是該線程沒有被detached，相關概念請查閱線程的“分離屬性”)。像線發送線程信號也是通過線程ID實現的。

6).資源管理方式的異同

進程本身是資源分配的基本單位，因而它的資源都是獨立的，如果有多進程間的共享資源，就要用到進程間的通信方式了，比如共享內存。共享數據就放在共享內存去，大家都可以訪問，為保證數據寫入的安全，加上信號量一同使用。一般而言，共享內存都是和信號量一起使用。消息隊列則不同，由于消息的收發是原子操作，因而自動實現了互斥，單獨使用就是安全的。

線程間要使用共享資源不需要用共享內存，直接使用全局變量即可，或者malloc()動態申請內存。顯得方便直接。而且互斥使用的是同一進程空間內的互斥量，所以效率上也有優勢。

實際中，為了使程序內資源充分規整，也都采用共享內存來存儲核心數據。不管進程還是線程，都采用這種方式。原因之一就是，共享內存是脫離進程的資源，如果進程發生意外終止的話，共享內存可以獨立存在不會被回收(是否回收由用戶編程實現)。進程的空間在進程崩潰的那一刻也被系統回收了。雖然有coredump機制，但也只能是有限的彌補。共享內存在進程down之后還完整保存，這樣可以拿來分析程序的故障原因。同時，運行的寶貴數據沒有丟失，程序重啟之后還能繼續處理之前未完成的任務，這也是采用共享內存的又一大好處。

總結之，進程間的通信方式都是脫離于進程本身存在的，是全系統都可見的。這樣一來，進程的單點故障并不會損毀數據，當然這不一定全是優點。比如，進程崩潰前對信號量加鎖，崩潰后重啟，然后再次進入運行狀態，此時直接進行加鎖，可能造成死鎖，程序再也無法繼續運轉。再比如，共享內存是全系統可見的，如果你的進程資源被他人誤讀誤寫，后果肯定也是你不想要的。所以，各有利弊，關鍵在于程序設計時如何考量，技術上如何規避。這說起來又是編程技巧和經驗的事情了。

7).個體間輩分關系的迥異

進程的備份關系森嚴，在父進程沒有結束前，所有的子進程都尊從父子關系，也就是說A創建了B，則A與B是父子關系，B又創建了C，則B與C也是父子關系，A與C構成爺孫關系，也就是說C是A的孫子進程。在系統上使用pstree命令打印進程樹，可以清晰看到備份關系。

多線程間的關系沒有那么嚴格，不管是父線程還是子線程創建了新的線程，都是共享父線程的資源，所以，都可以說是父線程的子線程，也就是只存在一個父線程，其余線程都是父線程的子線程。

8).進程池與線程池的技術實現差別

我們都知道，進程和線程的創建時需要時間的，并且系統所能承受的進程和線程數也是有上限的，這樣一來，如果業務在運行中需要動態創建子進程或線程時，系統無法承受不能立即創建的話，必然影響業務。綜上，聰明的程序員發明了一種新方法——池。

在程序啟動時，就預先創建一些子進程或線程，這樣在需要用時直接使喚。這就是老人口中的“多生孩子多種樹”。程序才開始運行，沒有那么多的服務請求，必然大量的進程或線程空閑，這時候一般讓他們“冬眠”，這樣不耗資源，要不然一大堆孩子的口食也是個負擔啊。對于進程和線程而言，方式是不一樣的。另外，當你有了任務，要分配給那些孩子的時候，手段也不一樣。下面就分別來解說。

進程池

首先創建了一批進程，就得管理，也就是你得分開保存進程ID，可以用數組，也可用鏈表。建議用數組，這樣可以實現常數內找到某個線程，而且既然做了進程池，就預先估計好了生產多少進程合適，一般也不會再動態延展。就算要動態延展，也能預估范圍，提前做一個足夠大的數組。不為別的，就是為了快速響應。本來錯進程池的目的也是為了效率。

接下來就要讓閑置進程冬眠了，可以讓他們pause()掛起，也可用信號量掛起，還可以用IPC阻塞，方法很多，分析各自優缺點根據實際情況采用就是了。

然后是分配任務了，當你有任務的時候就要讓他干活了。喚醒了進程，讓它從哪兒開始干呢？肯定得用到進程間通信了，比如信號喚醒它，然后讓它在預先指定的地方去讀取任務，可以用函數指針來實現，要讓它干什么，就在約定的地方設置代碼段指針。這也只是告訴了它怎么干，還沒說干什么(數據條件)，再通過共享內存把要處理的數據設置好，這也子進程就知道怎么做了。干完之后再來一次進程間通信然后自己繼續冬眠，父進程就知道孩子干完了，收割成果。

最后結束時回收子進程，向各進程發送信號喚醒，改變激活狀態讓其主動結束，然后逐個wait()就可以了。

線程池

線程池的思想與上述類似，只是它更為輕量級，所以調度起來不用等待額外的資源。

要讓線程阻塞，用條件變量就是了，需要干活的時候父線程改變條件，子線程就被激活。

線程間通信方式就不用贅述了，不用繁瑣的通信就能達成，比起進程間效率要高一些。

線程干完之后自己再改變條件，這樣父線程也就知道該收割成果了。

整個程序結束時，逐個改變條件并改變激活狀態讓子線程結束，最后逐個回收即可。

到此，關于“Linux進程與線程的區別”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！