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补充 Linux 中进程与线程的创建方式、有栈与无栈协程，附录 A4。
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CyC2018
2026-10-29 04:55:49 +08:00
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notes/计算机操作系统 - 进程管理.md
+49 -1
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@@ -31,6 +31,7 @@
* [A1 上下文切换](#a1-上下文切换)
* [A2 平台线程与虚拟线程的开销](#a2-平台线程与虚拟线程的开销)
* [A3 POSIX 共享内存](#a3-posix-共享内存)
* [A4 fork 与 pthread_create 的 clone 标志](#a4-fork-与-pthread_create-的-clone-标志)
* [参考资料](#参考资料)
<!-- GFM-TOC -->
@@ -69,6 +70,15 @@ QQ 和浏览器是两个进程，浏览器进程里面有很多线程，例如 H
- 通信方面：线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 IPC；
- 健壮性：进程之间相互隔离，一个进程崩溃不影响其它进程，而一个线程访问非法内存触发段错误时，整个进程连同其它线程都会被终止。
在 Linux 内核中，进程和线程都用 task_struct 表示，都是调度的对象，区别只在于和创建者共享了多少资源。fork 和 pthread_create 最终都调用 clone 系统调用，只是传入的标志不同（strace 实测，见[附录 A4](#a4-fork-与-pthread_create-的-clone-标志)）：
```text
fork() clone(flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD)
pthread_create() clone(flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|...)
```
CLONE_VM 表示共享地址空间，CLONE_FILES 表示共享文件描述符表，CLONE_THREAD 表示加入创建者的线程组。没有这些标志时，子进程得到一份地址空间的副本（写时复制），修改全局变量不影响父进程；有这些标志时，新线程修改的就是同一个变量。getpid() 返回的是线程组 ID，同一进程中的线程都相同，gettid() 返回每个线程自己的 ID，top -H、ps -L 中看到的就是它。
因此选择多进程还是多线程，主要看更需要隔离还是共享：
- 任务之间需要隔离、一个出错不能拖垮其它任务时用多进程，例如 Chrome 把网页放在单独的渲染进程中，一个网页崩溃不影响浏览器和其它标签页；执行不受信任的代码（例如 Agent 运行模型生成的脚本）也应该放在单独的进程甚至容器中；
@@ -102,7 +112,9 @@ Go 的 GMP 模型是一个典型实现：G 是 goroutine，M 是系统线程，P
- 占用的内存少，可以同时存在大量协程，而每个线程都要预留独立的栈，例如 Linux x64 上 Java 线程的栈默认为 1 MB（ARM64 的 Linux 和 macOS 上为 2 MB），线程数量有限；
- 同一个线程上的协程不能并行执行，要利用多核仍然需要多个线程；协程中如果执行了阻塞的系统调用，所在的线程会被阻塞，所以协程的运行时通常把 I/O 改为非阻塞的方式。
Java 21 正式引入的虚拟线程（[JEP 444](https://openjdk.org/jeps/444)）就是 JVM 实现的协程：虚拟线程由 JVM 调度到少量的平台线程上运行，执行阻塞 I/O 时从平台线程上卸载，让平台线程去执行其它虚拟线程。调度器是一个工作窃取的 ForkJoinPool，平台线程数默认等于 CPU 核数，JDK 21 不按时间片抢占虚拟线程。虚拟线程的创建成本很低，不需要用线程池复用，需要限制并发数时使用信号量。在 JDK 21 中，虚拟线程在 synchronized 块内阻塞时无法卸载，JDK 24 起（[JEP 491](https://openjdk.org/jeps/491)）基本消除了这个限制。
协程按是否有自己的调用栈分为两类。有栈协程（stackful）可以在任意深度的函数调用中挂起，挂起时保存整个调用栈，例如 goroutine 和 Java 的虚拟线程；无栈协程（stackless）由编译器把 async 函数改写成状态机，只能在 await 处挂起，局部变量保存在状态对象中，例如 Python 的 async/await 和 Kotlin 协程。无栈协程更省内存，但 async 会沿调用链传染，调用它的函数也要写成 async。
Java 21 正式引入的虚拟线程（[JEP 444](https://openjdk.org/jeps/444)）就是 JVM 实现的协程：虚拟线程由 JVM 调度到少量的平台线程上运行，执行阻塞 I/O 时从平台线程上卸载，让平台线程去执行其它虚拟线程。调度器是一个工作窃取的 ForkJoinPool，平台线程数默认等于 CPU 核数，JDK 21 不按时间片抢占虚拟线程。虚拟线程卸载时，它的栈帧以栈块对象（stack chunk）的形式保存在堆中，等 I/O 就绪后再挂载到某个平台线程上继续执行，所以阻塞的虚拟线程只占用与调用深度相当的堆内存，不占用平台线程。虚拟线程的创建成本很低，不需要用线程池复用，需要限制并发数时使用信号量。在 JDK 21 中，虚拟线程在 synchronized 块内阻塞时无法卸载，JDK 24 起（[JEP 491](https://openjdk.org/jeps/491)）基本消除了这个限制。
例如在 JDK 21 中启动 1 万个阻塞在同一个 CountDownLatch 上的线程（Ubuntu 24.04 容器实测，见[附录 A2](#a2-平台线程与虚拟线程的开销)）：
@@ -640,6 +652,41 @@ $ gcc -O2 -o shm shm.c && ./shm
读到：order 1024 paid
```
### A4 fork 与 pthread_create 的 clone 标志
Docker Desktop 中的 Ubuntu 24.04 容器（aarch64），gcc 13.3，strace 6.8。程序先 fork 一个子进程，子进程把全局变量 counter 加 1；再用 pthread_create 创建一个线程，线程也把 counter 加 1：
```c
int counter = 0;
static void *worker(void *arg) {
counter++;
printf("线程 pid=%d tid=%d\n", getpid(), gettid());
return NULL;
}
// main 中：
pid_t c = fork();
if (c == 0) { counter++; printf("子进程 pid=%d tid=%d\n", getpid(), gettid()); _exit(0); }
waitpid(c, NULL, 0);
printf("fork 之后 counter=%d\n", counter);
pthread_create(&t, NULL, worker, NULL);
pthread_join(t, NULL);
printf("线程结束后 counter=%d\n", counter);
```
```text
$ strace -f -e trace=clone,clone3 ./pt
主线程 pid=14 tid=14
clone(child_stack=NULL, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0xffff8716dfd0) = 15
子进程 pid=15 tid=15
fork 之后 counter=0
clone3({flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, ..., stack_size=0x80ea60, ...}, 88) = -1 ENOSYS (Function not implemented)
clone(child_stack=0xffff86e0ea60, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, ...) = 16
线程 pid=14 tid=16
线程结束后 counter=1
```
Docker 默认的 seccomp 规则不允许 clone3，glibc 收到 ENOSYS 后改用 clone，标志相同。线程的栈大小 0x80ea60 约 8 MB，来自 ulimit -s 的默认值。
## 参考资料
- Tanenbaum A S, Bos H. Modern Operating Systems [M]. Pearson, 2014.
@@ -651,3 +698,4 @@ $ gcc -O2 -o shm shm.c && ./shm
- [JEP 444: Virtual Threads](https://openjdk.org/jeps/444)
- [Go 1.14 Release Notes](https://go.dev/doc/go1.14)
- [Multi-process Architecture — The Chromium Projects](https://www.chromium.org/developers/design-documents/multi-process-architecture/)
- [clone(2) — Linux manual page](https://man7.org/linux/man-pages/man2/clone.2.html)