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c语言实战29,linux 内核是如何创建进程,线程的?

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我们在 linux 学习系列文章的第 8 节中提到,对于 linux 来说,线程只是一种和其他一些进程共享某些资源的特殊进程而已(例如地址空间),linux 并不严格区分线程和进程。这种设计是简洁的,因为只要使用一套 C 语言函数,和适当的参数设置,就可以实现进程和线程的创建。

关于 linux 系统的设计和原理,可以点我查看 《linux 学习系列》文章。

linux 内核如何创建进程和线程

linux 创建线程和进程的过程非常类似,都是主要依赖 clone 函数,只不过传入的参数不同而已。如此一来,内核只需要实现一个 C 语言函数,就既能创建进程,又能创建线程了,这是相当高雅的做法。

例如,创建进程的大致参数为:

clone(SIGCHLD)

创建线程的大致参数为:

clone(CLONE_VM | CLONE_FS  | CLONE_FILES | SIGCHLD)

传递给 clone 的参数决定了 clone 的具体行为。与创建进程相比,创建线程多出的 CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES 参数指定了父子进程共享地址空间,文件系统资源,文件描述符等信息。下面介绍一下 clone 函数。

C 语言函数 clone

在 linux 中输入 man clone,即可得到它的说明书:

使用 clone 函数,需要包含 <sched.h> 头文件,它的 C 语言原型如下:

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,
                 int flags, void *arg, ...
                 /* pid_t *ptid, struct user_desc *tls, pid_t *ctid */ );

能够看出,clone 函数是一个不定参数的函数。它主要用于创建新的进程(也包括线程,因为线程是“特殊”的进程),调用成功后,返回子进程的 tid,如果失败,则返回 -1,并将错误码设置再 errno。

clone 函数的第一个参数是一个函数指针,关于函数指针,可参考《》。第二个参数是用于创建子进程的栈,要注意的是,很多情况下,栈都是向低地址方向增长的,所以传入参数时需要将栈的高地址传入。它的第三个参数,就是用于指定行为的参数了。

按照上面的描述,我们更关心的是 clone 函数的 flags 参数,常用的几个参数的意义列举如下:

  • CLONE_FILES,父子进程共享打开的文件
  • CLONE_FS,父子进程共享文件系统信息
  • CLONE_VM,父子进程共享地址空间
  • CLONE_SIGHAND,父子进程共享信号处理函数,以及阻断的信号
  • CLONE_THREAD,父子进程放入相同的线程组

其他的参数,请参照 man 手册。介绍完 clone 函数,我们来看两个实例。

C 语言实例

我们以使用 clone 函数创建线程为例。以下函数每隔 1 秒创建一个线程,线程打印出自己的 tid 就退出。

#define _GNU_SOURCE
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "sched.h"
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#define     gettid()                    ((int)syscall(SYS_gettid))
void* testOcupMem(void* p)
{
    printf("    %d-%d testOcupMem exit\n", getpid(), gettid());
    return NULL;
}
#define STACK_SIZE 8192*1024

int main()
{
    int i = 5;

    void* pstk = malloc(STACK_SIZE);
    if(NULL == pstk){
         printf("query failed, cannot malloc stack\n");
         return -1;
    }
    while(i--){
        int clonePid = clone((int(*)(void*))testOcupMem,  (char *)pstk + STACK_SIZE,
                     CLONE_VM | CLONE_FS  | CLONE_FILES | SIGCHLD, pstk);
        printf("  clonePid: %d\n", clonePid);
        if(-1 ==  clonePid){
            printf("query failed, cannot start query process\n");
            free(pstk);
            return -1;
        }
        sleep(1);
    }
    free(pstk);
    printf("\n------------- getchar --------------\n");
    getchar();
    return 0;
}

头条函数排版太乱,代码可参照下图:

编译并执行 C 语言代码,发现线程的确被创建了:

# gcc t2.c
# ./a.out 
  clonePid: 25299
    25299 testOcupMem exit
  clonePid: 25300
    25300 testOcupMem exit
  clonePid: 25301
    25301 testOcupMem exit
  clonePid: 25302
    25302 testOcupMem exit
  clonePid: 25303
    25303 testOcupMem exit

------------- getchar --------------
#

这样我们就使用 C 语言的 clone 函数创建了线程。创建进程的过程是类似的,唯一需要做的就是改变 clone 函数的 flags 参数,即将

clonePid = clone((int(*)(void*))testOcupMem,  (char *)pstk + STACK_SIZE,
                     CLONE_VM | CLONE_FS  | CLONE_FILES | SIGCHLD, pstk);

修改为:

clonePid = clone((int(*)(void*))testOcupMem,  (char *)pstk + STACK_SIZE,
                    SIGCHLD, pstk);

即可。

容易看出,linux 内核没有严格区分线程和进程,也没有准备特别的调度算法或是定义特别的数据结构来描述线程。相反,线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程,在 linux 中,线程看起来就像是一个普通的进程。


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