Linux 内核学习笔记：进程与线程
这一篇记录进程与线程的几个基础问题：进程基础、线程、调度入口、进程间通信、多线程同步、死锁、锁类型。这一块内容很宽，本文先整理主线；Linux 细节集中落到 task_struct、地址空间、文件表、调度状态、IPC 对象、futex 和等待队列。
问题索引
| 主题 | 本篇记录 |
|---|---|
| 进程 | 程序运行实例、地址空间、资源边界 |
| 进程状态 | 创建、就绪、运行、阻塞、结束、挂起；Linux R/S/D/T/Z |
| PCB | 教材 PCB 到 Linux task_struct |
| 进程控制 | 创建、终止、阻塞、唤醒；fork()、clone()、execve()、exit()、wait() |
| 上下文切换 | CPU 上下文、地址空间切换、内核栈、调度器 |
| 线程 | 共享进程资源的执行流；Linux 里对应 task 和线程组 |
| 调度入口 | 调度时机、调度原则、调度算法放到下一章细讲 |
| IPC | pipe、message queue、shared memory、semaphore、signal、socket |
| 多线程同步 | 竞争、互斥、同步、锁、信号量、futex |
| 死锁和锁类型 | 四个必要条件、排查入口、互斥锁/自旋锁/读写锁/乐观锁 |
1. 进程：程序的一次运行实例
进程是程序运行时形成的执行实体和资源容器。可执行文件在磁盘上只是静态文件；运行后，内核为它建立地址空间、打开文件表、凭据、信号状态、调度状态等运行时对象。
| 名词 | 记录 |
|---|---|
| program | 静态程序文件或代码集合 |
| process | 程序的一次运行实例，拥有地址空间和一组资源 |
| address space | 进程可见的虚拟地址范围 |
| resource boundary | 内存、文件描述符、权限、namespace、cgroup 等资源归属边界 |
| execution context | CPU 寄存器、栈、程序计数器等执行状态 |
OSTEP 的进程抽象可以压缩成两点：进程让程序看起来独占 CPU，地址空间让程序看起来独占一段连续内存。OS 通过调度和地址翻译实现这两个抽象。
Linux 落点：
| Linux 对象 | 作用 |
|---|---|
task_struct | Linux 可调度实体和资源引用集合 |
mm_struct | 用户态地址空间 |
files_struct | 文件描述符表 |
fs_struct | 当前目录、根目录、umask 等文件系统上下文 |
cred | uid、gid、capability 等权限信息 |
nsproxy | namespace 引用 |
进程主题里抓 task_struct 是为了定位创建、运行、阻塞、唤醒、退出这些动作。内存管理、文件系统、网络栈有各自的核心对象。
2. 进程状态：教材模型和 Linux 状态
教材里的基本状态是运行、就绪、阻塞。扩展后还会加入创建、结束、挂起。它们描述的是进程和 CPU、事件、内存驻留之间的关系。
| 教材状态 | 含义 | Linux 观察 |
|---|---|---|
| running | 正在 CPU 上执行 | R 中正在运行的 task |
| ready | 可运行，等待 CPU | R 中在 runqueue 等待的 task |
| blocked | 等待 I/O、锁、事件 | S 或 D |
| stopped | 被作业控制或调试暂停 | T、t |
| zombie | 已退出，等待父进程回收 | Z |
Linux 的 ps STAT 字段是观察入口，但它是用户态展示，不能和教材状态一一硬套。
| Linux 状态 | 常见含义 |
|---|---|
R | runnable 或 running |
S | interruptible sleep，可被信号唤醒 |
D | uninterruptible sleep，常见于等待内核 I/O 路径 |
T / t | stopped 或 tracing stop |
Z | zombie |
观察入口：
| 命令 / 路径 | 记录 |
|---|---|
ps -o pid,ppid,stat,wchan,comm -p <pid> | 看状态和等待点 |
/proc/<pid>/status | 看 State、Tgid、Pid、Threads |
/proc/<pid>/wchan | 看睡眠时等待的内核符号 |
perf sched latency | 看 runnable 后等待 CPU 的延迟 |
3. PCB 到 task_struct
教材用 PCB 描述进程控制块。PCB 保存进程标识、状态、寄存器上下文、调度信息、内存信息、打开文件、父子关系等。Linux 中主要落到 task_struct，再由它引用其他子系统对象。
| PCB 信息 | Linux 落点 |
|---|---|
| 进程标识 | pid、tgid、thread group |
| 进程状态 | task_struct 的 state / exit_state |
| CPU 上下文 | 架构相关 thread context、内核栈 |
| 调度信息 | priority、policy、sched entity、runqueue |
| 内存信息 | mm_struct、页表、VMA |
| 文件信息 | files_struct、fdtable、struct file |
| 父子关系 | parent、children、sibling |
| 信号 | signal、sighand、blocked、pending |
task_struct 适合按“执行状态 + 资源引用 + 关系 + 调度字段”四组记。源码入口是 include/linux/sched.h，但这个结构体很大，阅读时需要带着路径问题看字段。
4. 进程控制：创建、替换、退出、回收
进程控制在教材里通常包含创建、终止、阻塞、唤醒。Linux 里常见路径可以按 syscall 记。
| 动作 | 用户态接口 | Linux 主线 |
|---|---|---|
| 创建进程 | fork() | 创建新 task，父子资源隔离较强，地址空间使用 COW |
| 创建线程 / 特定共享关系 | clone() / clone3() | 通过 flags 控制共享 mm_struct、files_struct 等 |
| 替换程序映像 | execve() | 当前 task 装载新 ELF，重建用户地址空间 |
| 退出 | exit() / exit_group() | 释放资源，留下退出状态 |
| 回收 | wait() / waitpid() / wait4() | 父进程读取退出状态，释放 zombie 记录 |
fork() 后父子进程逻辑上拥有独立地址空间，物理页常通过 COW 延迟复制。打开文件描述符会继承；父子 fd 可能指向同一个 struct file，因此共享文件偏移。
execve() 改的是当前 task 的用户态程序映像。pid 继续沿用，地址空间、用户栈、代码段、数据段会换成新程序；带 FD_CLOEXEC 的 fd 在 exec 时关闭。
exit() 后出现 zombie，是因为父进程还没有读取退出状态。zombie 的主要运行资源已经释放，保留 pid、退出码、统计信息等回收所需内容。
源码入口：
| 路径 | 内容 |
|---|---|
kernel/fork.c | fork/clone 和 task 创建 |
fs/exec.c | execve 和 ELF 装载 |
kernel/exit.c | exit、wait、reparent |
kernel/signal.c | signal 投递和处理 |
5. 上下文切换：CPU 状态和地址空间
上下文切换保存当前执行实体的必要状态，再恢复另一个执行实体的状态。CPU 上下文至少包括通用寄存器、栈指针、程序计数器、状态寄存器等。进程切换还可能涉及地址空间和 TLB。
| 类型 | 切换内容 |
|---|---|
| 进程上下文切换 | CPU 寄存器、内核栈、调度状态、地址空间、TLB 影响 |
| 同进程线程切换 | CPU 寄存器、栈、线程私有状态；通常共享地址空间 |
| 中断上下文切换 | 当前执行流被中断，CPU 进入中断处理路径 |
常见触发点：
| 场景 | 记录 |
|---|---|
| 时间片或调度周期 | 当前 task 让出 CPU |
| 主动睡眠 | sleep()、等待锁、等待 I/O、等待事件 |
| 唤醒抢占 | 更高优先级或更合适的 task 被唤醒 |
| 系统调用阻塞 | 进入内核后等待资源 |
| 中断 | CPU 转入中断处理，可能引发后续调度 |
Linux 入口：schedule()、context_switch()、switch_to()、sched_switch tracepoint。观察入口：pidstat -w 1、vmstat 1、perf sched record、perf sched latency。
6. 线程：共享资源的执行流
线程是进程内的一条执行流。多个线程共享同一进程的地址空间、代码段、数据段、打开文件等资源；每个线程有自己的寄存器、栈、线程局部状态和调度状态。
| 对象 | 同进程线程之间 |
|---|---|
| 地址空间 | 共享 |
| 全局变量 / 堆 | 共享 |
| 打开文件表 | 通常共享 |
| 当前工作目录等 fs 上下文 | 通常共享 |
| 寄存器 | 各自独立 |
| 用户栈 | 各自独立 |
| signal mask | 每线程独立 |
Linux 的线程是 task。一个多线程进程对应多个 task_struct，这些 task 共享 mm_struct 等资源，并处在同一个 thread group 中。
| 名词 | 记录 |
|---|---|
| pid | 单个 task 的标识 |
| tgid | thread group id，通常是用户态看到的进程 id |
| thread group | 同一进程内的一组 task |
| LWP | 轻量级进程，Linux 线程模型常用说法 |
CLONE_THREAD | 创建同线程组 task 的关键 flag |
观察入口：
| 命令 / 路径 | 记录 |
|---|---|
ps -eLf | 展开线程 |
top -H -p <pid> | 看进程内线程 |
/proc/<pid>/task | 线程目录 |
/proc/<pid>/status | Threads、Pid、Tgid |
7. 调度入口：第四章只记接口
调度时机、调度原则和调度算法放到下一篇“调度算法”处理；本文只记进程/线程和调度器的接口。
| 问题 | 记录 |
|---|---|
| 谁被调度 | Linux 调度 task |
| 在哪里等待 CPU | 每 CPU runqueue |
| 什么状态能被调度 | runnable task |
| 阻塞后怎么回来 | 等待事件完成后 wakeup，重新进入 runnable |
| 调度策略在哪里体现 | scheduling class、priority、nice、policy |
进程/线程学习里需要记住的边界：阻塞等待事件和可运行但等待 CPU 是两种不同状态。前者在等 I/O、锁、条件；后者已经能运行，只是在 runqueue 上排队。
8. 进程间通信：六类入口
进程地址空间隔离后，需要 IPC 交换数据或事件。这里按管道、消息队列、共享内存、信号量、信号、Socket 记录。
| IPC | 数据形态 | Linux 落点 |
|---|---|---|
| pipe | 字节流 | 亲缘进程常见；匿名管道通过 fd 传递 |
| FIFO | 字节流 | 有路径名的管道 |
| message queue | 离散消息 | System V / POSIX 消息队列 |
| shared memory | 共享内存区域 | 数据不需要反复拷贝，必须配合同步 |
| semaphore | 计数和同步 | System V / POSIX semaphore；线程内也有信号量 |
| signal | 异步事件通知 | kill()、异常、终端事件等 |
| socket | 字节流或数据报 | 本机进程和跨机器通信都可用 |
Linux 里所有这些机制都能和“等待/唤醒”连起来。读空管道会睡眠，socket receive queue 没数据会睡眠，futex 等待锁会睡眠；事件到来后，内核唤醒等待队列上的 task。
9. 多线程同步：竞争、互斥、同步
多个线程共享地址空间，读写共享数据时会出现竞争。同步笔记先区分三个词。
| 名词 | 记录 |
|---|---|
| race condition | 执行结果依赖线程交错顺序 |
| mutual exclusion | 同一时刻只允许一个线程进入临界区 |
| synchronization | 按条件或顺序协调多个线程 |
| critical section | 访问共享资源的一段代码 |
| atomic operation | 不会被观察到中间状态的操作 |
Linux 落点：
| 用户态机制 | 内核落点 |
|---|---|
| pthread mutex | 无竞争时用户态 fast path；竞争时可进入 futex |
| condition variable | 配合 mutex；等待条件变化时睡眠和唤醒 |
| semaphore | 计数型同步 |
| rwlock | 读多写少场景 |
| futex | 用户态地址上的 fast userspace mutex，竞争时由内核挂等待队列 |
futex 是理解用户态锁和内核调度关系的关键点：锁状态放在用户态内存；抢锁失败时，线程通过 futex syscall 进入内核睡眠；解锁线程在需要时唤醒等待者。
10. 死锁：条件、排查、避免
死锁由多个执行流互相等待资源形成。经典四个必要条件需要直接记。
| 条件 | 含义 |
|---|---|
| 互斥 | 资源同一时刻只能被一个执行流持有 |
| 持有并等待 | 已持有资源时继续等待其他资源 |
| 不可剥夺 | 资源不能被外部强制抢走 |
| 环路等待 | 等待关系形成环 |
避免死锁常用方法是破坏环路等待：给锁规定全局顺序，所有线程按同一顺序加锁。还可以通过 try-lock、超时、锁粒度调整、减少持锁期间阻塞操作等方式降低风险。
排查入口：
| 工具 | 记录 |
|---|---|
pstack <pid> | 快速看多线程调用栈 |
gdb -p <pid> | 查看线程、栈、锁对象 |
info threads | gdb 中列出线程 |
thread apply all bt | 打印所有线程栈 |
perf lock | 分析内核锁事件，依配置可用 |
/proc/<pid>/stack | 看内核栈，权限和内核配置相关 |
用户态 pthread 死锁常用栈和锁 owner 定位；内核锁问题还需要结合 lockdep、ftrace、perf lock、hung task 日志。
11. 锁类型：成本和等待方式
互斥锁、自旋锁、读写锁、乐观锁、悲观锁按等待方式和适用条件整理。
| 锁 | 加锁失败后的行为 | 适合场景 |
|---|---|---|
| mutex | 睡眠，等待唤醒 | 临界区可能较长，可以睡眠 |
| spinlock | 忙等，占 CPU | 临界区很短，不能睡眠的内核路径 |
| rwlock / rwsem | 区分读写 | 读多写少 |
| optimistic lock | 先操作或读取，再验证版本 | 冲突概率低，重试成本可接受 |
| pessimistic lock | 访问前先排他保护 | 冲突概率高或数据一致性要求强 |
Linux 内核里要特别区分能否睡眠。进程上下文通常可以睡眠；中断上下文不能随便睡眠。spinlock 保护的临界区里也不能调用可能睡眠的函数。
压缩表
| 概念 | 基础概念 / 八股 | OSTEP 模型 | Linux 落点 |
|---|---|---|---|
| 进程 | 程序运行实例 | CPU 和内存虚拟化的执行实体 | task_struct、mm_struct、files_struct |
| 线程 | 进程内执行流 | 共享地址空间的控制流 | task、thread group、pid/tgid |
| PCB | 进程控制块 | 保存状态和资源引用 | task_struct |
| 上下文切换 | 保存/恢复运行状态 | 受限直接执行和调度 | schedule()、context_switch() |
| IPC | 进程间通信方式 | 隔离后的通信机制 | pipe、shm、signal、socket、wait queue |
| 同步 | 互斥和协作 | 并发控制 | mutex、semaphore、futex、RCU |
| 死锁 | 四个必要条件 | 资源等待图 | lock order、pstack、gdb、lockdep |
检查点与参考回答
| 问题 | 参考回答 |
|---|---|
| 进程是什么？ | 进程是程序的一次运行实例，也是地址空间、文件描述符、权限、信号等资源的容器。Linux 中通常由一个或多个 task 组成。 |
| 线程是什么？ | 线程是进程内的一条执行流。同一进程内线程共享地址空间、全局数据和打开文件等资源，各自拥有寄存器、栈和调度状态。 |
| 进程和线程的区别是什么？ | 进程更强调资源边界，线程更强调执行流。同进程线程共享资源，所以创建和切换成本通常更低，但共享数据需要同步，一个线程的严重错误可能影响整个进程。 |
| PCB 在 Linux 中对应什么？ | 教材 PCB 在 Linux 中主要对应 task_struct，同时还要通过它引用 mm_struct、files_struct、signal、cred、namespace、cgroup 等对象。 |
fork() 和 execve() 分别做什么？ | fork() 创建新进程，子进程继承父进程资源并通过 COW 延迟复制地址空间；execve() 在当前 task 上装载新程序映像，重建用户地址空间。 |
| 上下文切换切什么？ | 至少切 CPU 寄存器、栈指针、程序计数器等执行状态。进程切换还可能切地址空间和影响 TLB；同进程线程切换通常共享地址空间。 |
| 为什么同进程线程切换通常比进程切换便宜？ | 同进程线程共享 mm_struct 和页表，切换时通常不需要切换地址空间，TLB 影响较小，主要切换线程私有寄存器、栈和调度状态。 |
| IPC 有哪些常见方式？ | 管道、FIFO、消息队列、共享内存、信号量、信号、Socket。共享内存吞吐高，但需要额外同步。Socket 既能本机通信，也能跨机器通信。 |
| futex 解决什么问题？ | futex 让用户态锁在无竞争时不进入内核；竞争时线程通过 futex syscall 睡眠，解锁方按需唤醒等待者。 |
| 死锁的四个必要条件是什么？ | 互斥、持有并等待、不可剥夺、环路等待。破坏其中任一条件即可避免死锁，工程中常用全局锁顺序破坏环路等待。 |
| 互斥锁和自旋锁怎么选？ | 临界区可能较长或可以睡眠时用 mutex；临界区极短、不能睡眠的内核路径用 spinlock。自旋锁忙等会消耗 CPU。 |
本篇参考
- Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau, Operating Systems: Three Easy Pieces
- Michael Kerrisk, The Linux Programming Interface
- W. Richard Stevens, Stephen A. Rago, Advanced Programming in the UNIX Environment
- Robert Love, Linux Kernel Development
- Linux Kernel Documentation: Scheduler, locking, futex, core API