「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

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说到进程，恐怕面试中最常见的问题就是线程和进程的关系了，那么先说一下答案： 在 Linux 系统中，进程和线程几乎没有区别 。

Linux 中的进程其实就是一个数据结构，顺带可以理解文件描述符、重定向、管道命令的底层工作原理，最后我们从 *** 作系统的角度看看为什么说线程和进程基本没有区别。

首先，抽象地来说，我们的计算机就是这个东西：

这个大的矩形表示计算机的 内存空间 ，其中的小矩形代表 进程 ，左下角的圆形表示 磁盘 ，右下角的图形表示一些 输入输出设备 ，比如鼠标键盘显示器等等。另外，注意到内存空间被划分为了两块，上半部分表示 用户空间 ，下半部分表示 内核空间 。

用户空间装着用户进程需要使用的资源，比如你在程序代码里开一个数组，这个数组肯定存在用户空间；内核空间存放内核进程需要加载的系统资源，这一些资源一般是不允许用户访问的。但是注意有的用户进程会共享一些内核空间的资源，比如一些动态链接库等等。

我们用 C 语言写一个 hello 程序，编译后得到一个可执行文件，在命令行运行就可以打印出一句 hello world，然后程序退出。在 *** 作系统层面，就是新建了一个进程，这个进程将我们编译出来的可执行文件读入内存空间，然后执行，最后退出。

你编译好的那个可执行程序只是一个文件，不是进程，可执行文件必须要载入内存，包装成一个进程才能真正跑起来。进程是要依靠 *** 作系统创建的，每个进程都有它的固有属性，比如进程号（PID）、进程状态、打开的文件等等，进程创建好之后，读入你的程序，你的程序才被系统执行。

那么， *** 作系统是如何创建进程的呢？ 对于 *** 作系统，进程就是一个数据结构 ，我们直接来看 Linux 的源码：

task_struct 就是 Linux 内核对于一个进程的描述，也可以称为「进程描述符」。源码比较复杂，我这里就截取了一小部分比较常见的。

我们主要聊聊 mm 指针和 files 指针。 mm 指向的是进程的虚拟内存，也就是载入资源和可执行文件的地方； files 指针指向一个数组，这个数组里装着所有该进程打开的文件的指针。

先说 files ，它是一个文件指针数组。一般来说，一个进程会从 files[0] 读取输入，将输出写入 files[1] ，将错误信息写入 files[2] 。

举个例子，以我们的角度 C 语言的 printf 函数是向命令行打印字符，但是从进程的角度来看，就是向 files[1] 写入数据；同理， scanf 函数就是进程试图从 files[0] 这个文件中读取数据。

每个进程被创建时， files 的前三位被填入默认值，分别指向标准输入流、标准输出流、标准错误流。我们常说的「文件描述符」就是指这个文件指针数组的索引 ，所以程序的文件描述符默认情况下 0 是输入，1 是输出，2 是错误。

我们可以重新画一幅图：

对于一般的计算机，输入流是键盘，输出流是显示器，错误流也是显示器，所以现在这个进程和内核连了三根线。因为硬件都是由内核管理的，我们的进程需要通过「系统调用」让内核进程访问硬件资源。

PS：不要忘了，Linux 中一切都被抽象成文件，设备也是文件，可以进行读和写。

如果我们写的程序需要其他资源，比如打开一个文件进行读写，这也很简单，进行系统调用，让内核把文件打开，这个文件就会被放到 files 的第 4 个位置，对应文件描述符 3：

明白了这个原理， 输入重定向 就很好理解了，程序想读取数据的时候就会去 files[0] 读取，所以我们只要把 files[0] 指向一个文件，那么程序就会从这个文件中读取数据，而不是从键盘：

同理， 输出重定向 就是把 files[1] 指向一个文件，那么程序的输出就不会写入到显示器，而是写入到这个文件中：

错误重定向也是一样的，就不再赘述。

管道符其实也是异曲同工，把一个进程的输出流和另一个进程的输入流接起一条「管道」，数据就在其中传递，不得不说这种设计思想真的很巧妙：

到这里，你可能也看出「Linux 中一切皆文件」设计思路的高明了，不管是设备、另一个进程、socket 套接字还是真正的文件，全部都可以读写，统一装进一个简单的 files 数组，进程通过简单的文件描述符访问相应资源，具体细节交于 *** 作系统，有效解耦，优美高效。

首先要明确的是，多进程和多线程都是并发，都可以提高处理器的利用效率，所以现在的关键是，多线程和多进程有啥区别。

为什么说 Linux 中线程和进程基本没有区别呢，因为从 Linux 内核的角度来看，并没有把线程和进程区别对待。

我们知道系统调用 fork() 可以新建一个子进程，函数 pthread() 可以新建一个线程。 但无论线程还是进程，都是用 task_struct 结构表示的，唯一的区别就是共享的数据区域不同 。

换句话说，线程看起来跟进程没有区别，只是线程的某些数据区域和其父进程是共享的，而子进程是拷贝副本，而不是共享。就比如说， mm 结构和 files 结构在线程中都是共享的，我画两张图你就明白了：

所以说，我们的多线程程序要利用锁机制，避免多个线程同时往同一区域写入数据，否则可能造成数据错乱。

那么你可能问， 既然进程和线程差不多，而且多进程数据不共享，即不存在数据错乱的问题，为什么多线程的使用比多进程普遍得多呢 ？

因为现实中数据共享的并发更普遍呀，比如十个人同时从一个账户取十元，我们希望的是这个共享账户的余额正确减少一百元，而不是希望每人获得一个账户的拷贝，每个拷贝账户减少十元。

当然，必须要说明的是， 只有 Linux 系统将线程看做共享数据的进程 ，不对其做特殊看待 ，其他的很多 *** 作系统是对线程和进程区别对待的，线程有其特有的数据结构，我个人认为不如 Linux 的这种设计简洁，增加了系统的复杂度。

在 Linux 中新建线程和进程的效率都是很高的，对于新建进程时内存区域拷贝的问题，Linux 采用了 copy-on-write 的策略优化，也就是并不真正复制父进程的内存空间，而是等到需要写 *** 作时才去复制。 所以 Linux 中新建进程和新建线程都是很迅速的 。

兄弟看到你这么高的分我就找了些资料：也算是对昨天学的知识总结一下吧

一、先说概念不管是windows还是linux下的进程和线程概念都是一样的，只是管理进程和线程的方式不一样，这个是前提，到时候你可别问我windows下进程和线程啊。这个涉及到 *** 作系统原理。下面给你解答。

说道进程不得不提作业这个名词 ，我想兄弟你电脑里不会有一个程序吧对不？当你的系统启动完毕后你看看你的任务管理器里是不是有很多进程呢？那么多程序是怎么调如内存呢？能理解吗？这里要明白程序和进程的关系，程序是你磁盘上的一个文件，当你需要它时进入内存后才成为进程，好比QQ在磁盘上就是一个文件而已，只有进入了内存才成为进程，进程是活动的。QQ要扫描你文件啊，记录你聊天记录啊，偷偷上传个啥东西什么的你也不知道对不，他是活动的。这个能明白吗？

再看作业，这个作业可不是你写作业的那个作业啊。系统一看好家伙你个QQ那么大的家伙你想一下子进入内存啊？没门！慢慢来嘛，系统就把QQ程序分为好几块，这几块不能乱分的，要符合自然结构就是循环啦选择啦这样的结构，你把人家循环结构咔嚓截断了，怎么让人家QQ运行啊？这就是作业要一块一块的进入内存，同时要为作业产生JCB（JOB CONTROL BLOCK)作业控制块，你进入内存不能乱跑啊，要听系统的话，你要是进入系统自己的内存。框一下，内存不能读写 对话框就出来了，严重点直接蓝脸给你！你懂得。这是window下的，linux下直接给你报错！没事了就！所一系统通过jcb控制进程。JCB包含了进程号优先级好多内容，你打开你的windows任务管理器看看进程是不是有好多属性啊？那就是PCB（PRCESS，CONTROL BLOCK）同理作业也包含那些内容只是多少而已。下面写出进程特点：

1、进程是分配计算机资源最小的单位。你想啊人是要用程序干活的吧？你把程序调入内存成了就成了进程，所以说进程是分配资源的最小单位。你在linux下打开终端输入top命令看是不是有好多进程？

2、进程有 *** 作系统为作业产生。有“父进程”产生“子进程”之间是父子关系，并可以继续向下产生“子进程”。还拿QQ来说，你双击QQ.exe。QQ启动了输入账号密码打开主界面了。这时候你要聊天，QQ进程赶紧产生个“儿子”说 “儿子你去陪主人聊天去吧。这样子进程产生了。突然你想看美女要传照片这时候那个”儿子“有”生“了一个”儿子“说”儿子“你去传照片。那个“儿子领到任务去传照片了。这时你想关了QQ，QQ提示你说”你还有个“儿子”和“孙子”还在干活呢你真要结束吗？你蒽了确定。QQ对他“儿子”（你聊天窗口）说：”儿子啊对不起了，主人要关闭我你也不能活啊“咔嚓一下”儿子“死了，儿子死之前对他儿子说：“儿子啊你爷爷不让我活了，你也别活了咔嚓孙子也死了。最后世界安静了。这就是进程的父子关系。能明白吗？记住：进程之活动在内存中。不能使用CPU，只管分配资源。

再说线程：线程也产生在内存中并且在内存中存在相当长的时间，但它的活动区域主要在CPU中，并且运行和灭亡都存在于CPU中，可以这么说，线程是程序中能被系统调度进入CPU中最小程序单位，它能直接使用进程分配的CPU的资源。

还拿QQ来说当你要传文件时QQ总要判断一下文件的扩展名吧，ok这时那个”儿子“赶紧对它爸爸说我需要一个线程判断扩展名QQ赶紧对一个管这个的线程说：”快点去CPU里计算下那个扩展名是什么然后向主人报告计算完了就“死了”消亡了，但是它的线程还在内存中！还等着你下一次传文件然后计算然后消亡！

线程之间是相互独立的。一个在CPU，一个在内存里还能有关系吗对不？CPU在每一个瞬间只能进入一个线程，当线程进入CPU时立即产生一个新的线程，新线程仍停留在内存中，就好比上面那个传文件还会等着你再传文件再计算扩展名。

线程相对线程是独立的，但它在内存中并不是独立的，这就好比你不开QQ能用QQ传输文件吗？它只存在与进程分配的资源中，也就是说计算扩展名这个线程只能停留在QQ这个进程中，不能跑到别的进程里！！相当于程序产生了新的进程和线程，进程向CPU申请资源，再有线程来使用，他们都是为程序服务的只是分工不同！

因为你没提问linux下是怎么管理进程和线程的所以我就不回答了，这个问题我建议你还是看看《笨兔兔的故事》里面讲到了linux是怎么管理进程和线程的。挺幽默的比我说得还好。

你第二个问题说实话我回答不了你！我想你现在连进程和线程还没理解第二个你更理解不了了你说对不？我猜的其实你用C/C++不管是在windows下编程还是在Linux下编程思想都是一样的对吧，如果你理解了在windows下线程间通信，在linux更没问题了！

参考资料：黑客手册2009合订本非安全第一二季244页，245页，328页，329页，398页，399页

浅谈 *** 作系统原理 （一 二三）

ubuntu中文论坛 笨兔兔的故事

http://forum.ubuntu.org.cn/viewtopic.php?f=120&t=267518

希望我的回答你能理解

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