趣谈Linux操作系统
刘超
网易杭州研究院云计算技术部首席架构师
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入门准备篇 (3讲)
开篇词 | 为什么要学习Linux操作系统?
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01 | 入学测验:你究竟对Linux操作系统了解多少?
02 | 学习路径:爬过这六个陡坡,你就能对Linux了如指掌
核心原理篇:第一部分 Linux操作系统综述 (3讲)
03 | 你可以把Linux内核当成一家软件外包公司的老板
04 | 快速上手几个Linux命令:每家公司都有自己的黑话
05 | 学会几个系统调用:咱们公司能接哪些类型的项目?
核心原理篇:第二部分 系统初始化 (4讲)
06 | x86架构:有了开放的架构,才能打造开放的营商环境
07 | 从BIOS到bootloader:创业伊始,有活儿老板自己上
08 | 内核初始化:生意做大了就得成立公司
09 | 系统调用:公司成立好了就要开始接项目
核心原理篇:第三部分 进程管理 (10讲)
10 | 进程:公司接这么多项目,如何管?
11 | 线程:如何让复杂的项目并行执行?
12 | 进程数据结构(上):项目多了就需要项目管理系统
13 | 进程数据结构(中):项目多了就需要项目管理系统
14 | 进程数据结构(下):项目多了就需要项目管理系统
15 | 调度(上):如何制定项目管理流程?
16 | 调度(中):主动调度是如何发生的?
17 | 调度(下):抢占式调度是如何发生的?
18 | 进程的创建:如何发起一个新项目?
19 | 线程的创建:如何执行一个新子项目?
核心原理篇:第四部分 内存管理 (7讲)
20 | 内存管理(上):为客户保密,规划进程内存空间布局
21 | 内存管理(下):为客户保密,项目组独享会议室封闭开发
22 | 进程空间管理:项目组还可以自行布置会议室
23 | 物理内存管理(上):会议室管理员如何分配会议室?
24 | 物理内存管理(下):会议室管理员如何分配会议室?
25 | 用户态内存映射:如何找到正确的会议室?
26 | 内核态内存映射:如何找到正确的会议室?
核心原理篇:第五部分 文件系统 (4讲)
27 | 文件系统:项目成果要归档,我们就需要档案库
28 | 硬盘文件系统:如何最合理地组织档案库的文档?
29 | 虚拟文件系统:文件多了就需要档案管理系统
30 | 文件缓存:常用文档应该放在触手可得的地方
核心原理篇:第六部分 输入输出系统 (5讲)
31 | 输入与输出:如何建立售前售后生态体系?
32 | 字符设备(上):如何建立直销模式?
33 | 字符设备(下):如何建立直销模式?
34 | 块设备(上):如何建立代理商销售模式?
35 | 块设备(下):如何建立代理商销售模式?
核心原理篇:第七部分 进程间通信 (7讲)
36 | 进程间通信:遇到大项目需要项目组之间的合作才行
37 | 信号(上):项目组A完成了,如何及时通知项目组B?
38 | 信号(下):项目组A完成了,如何及时通知项目组B?
39 | 管道:项目组A完成了,如何交接给项目组B?
40 | IPC(上):不同项目组之间抢资源,如何协调?
41 | IPC(中):不同项目组之间抢资源,如何协调?
42 | IPC(下):不同项目组之间抢资源,如何协调?
核心原理篇:第八部分 网络系统 (7讲)
43 预习 | Socket通信之网络协议基本原理
43 | Socket通信:遇上特大项目,要学会和其他公司合作
44 | Socket内核数据结构:如何成立特大项目合作部?
45 | 发送网络包(上):如何表达我们想让合作伙伴做什么?
46 | 发送网络包(下):如何表达我们想让合作伙伴做什么?
47 | 接收网络包(上):如何搞明白合作伙伴让我们做什么?
48 | 接收网络包(下):如何搞明白合作伙伴让我们做什么?
核心原理篇:第九部分 虚拟化 (7讲)
49 | 虚拟机:如何成立子公司,让公司变集团?
50 | 计算虚拟化之CPU(上):如何复用集团的人力资源?
51 | 计算虚拟化之CPU(下):如何复用集团的人力资源?
52 | 计算虚拟化之内存:如何建立独立的办公室?
53 | 存储虚拟化(上):如何建立自己保管的单独档案库?
54 | 存储虚拟化(下):如何建立自己保管的单独档案库?
55 | 网络虚拟化:如何成立独立的合作部?
核心原理篇:第十部分 容器化 (4讲)
56 | 容器:大公司为保持创新,鼓励内部创业
57 | Namespace技术:内部创业公司应该独立运营
58 | CGroup技术:内部创业公司应该独立核算成本
59 | 数据中心操作系统:上市敲钟
实战串讲篇 (9讲)
60 | 搭建操作系统实验环境(上):授人以鱼不如授人以渔
61 | 搭建操作系统实验环境(下):授人以鱼不如授人以渔
62 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(一)
63 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(二)
64 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(三)
65 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(四)
66 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(五)
67 | 期末测试:这些操作系统问题,你真的掌握了吗?
结束语 | 永远别轻视任何技术,也永远别轻视自己
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专栏加餐 (2讲)
学习攻略(一):学好操作系统,需要掌握哪些前置知识?
“趣谈Linux操作系统”食用指南
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19 | 线程的创建:如何执行一个新子项目?

刘超 2019-05-10
上一节,我们了解了进程创建的整个过程,今天我们来看线程创建的过程。
我们前面已经写过多线程编程的程序了,你应该都知道创建一个线程调用的是 pthread_create,可以你知道它背后的机制吗?

用户态创建线程

你可能会问,咱们之前不是讲过了吗?无论是进程还是线程,在内核里面都是任务,管起来不是都一样吗?但是问题来了,如果两个完全一样,那为什么咱们前两节写的程序差别那么大?如果不一样,那怎么在内核里面加以区分呢?
其实,线程不是一个完全由内核实现的机制,它是由内核态和用户态合作完成的。pthread_create 不是一个系统调用,是 Glibc 库的一个函数,所以我们还要去 Glibc 里面去找线索。
果然,我们在 nptl/pthread_create.c 里面找到了这个函数。这里的参数我们应该比较熟悉了。
int __pthread_create_2_1 (pthread_t *newthread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg)
{
......
}
versioned_symbol (libpthread, __pthread_create_2_1, pthread_create, GLIBC_2_1);
下面我们依次来看这个函数做了些啥。
首先处理的是线程的属性参数。例如前面写程序的时候,我们设置的线程栈大小。如果没有传入线程属性,就取默认值。
const struct pthread_attr *iattr = (struct pthread_attr *) attr;
struct pthread_attr default_attr;
if (iattr == NULL)
{
......
iattr = &default_attr;
}
接下来,就像在内核里一样,每一个进程或者线程都有一个 task_struct 结构,在用户态也有一个用于维护线程的结构,就是这个 pthread 结构。
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精选留言(20)

  • Milittle
    刘老师,您好,您可以把文档中给出的代码文件定位给出来么,一般在对应看源码的时候,很难定位到老师给的代码点的对应源码文件,谢谢老师~老师讲的真的让我把多年的零散知识可以连贯起来,然后理解的更加透彻,但是也会有不太理解的地方,再次感谢。这个课很值得~。
    总结以下进程和线程的异同点:
    1. 进程有独立的内存空间,比如代码段,数据段。线程则是共享进程的内存空间。
    2. 在创建新进程的时候,会将父进程的所有五大数据结构复制新的,形成自己新的内存空间数据,而在创建新线程的时候,则是引用进程的五大数据结构数据,但是线程会有自己的私有(局部)数据,执行栈空间。
    3. 进程和线程其实在cpu看来都是task_struct结构的一个封装,执行不同task即可,而且在cpu看来就是在执行这些task时候遵循对应的调度策略以及上下文资源切换定义,包括寄存器地址切换,内核栈切换,指令指针寄存器的地址切换。所以对于cpu而言,进程和线程是没有区别的。
    4. 进程创建的时候直接使用系统调用fork,进行系统调用的链路走,从而进入到_do_fork去创建task,而线程创建在调用_do_fork之前,还需要维护pthread这个数据结构的信息,初始化用户态栈信息。
    自己就能意识到这几点,如果有理解不到位,或者不全面的地方,还请老师给予指点,谢谢老师。
    2019-05-10
    14
  • why
    - 线程的创建
    - 线程是由内核态和用户态合作完成的, pthread_create 是 Glibc 库的一个函数
    - pthread_create 中
    1. 设置线程属性参数, 如线程栈大小
    2. 创建用户态维护线程的结构, pthread
    3. 创建线程栈 allocate_stack
        - 取栈的大小, 在栈末尾加 guardsize
        - 在进程堆中创建线程栈(先尝试调用 get_cached_stack 从缓存回收的线程栈中取用)
        - 若无缓存线程栈, 调用 `__mmap` 创建
        - 将 pthread 指向栈空间中
        - 计算 guard 内存位置, 并设置保护
        - 填充 pthread 内容, 其中 specific 存放属于线程的全局变量
        - 线程栈放入 stack_used 链表中(另外 stack_cache 链表记录回收缓存的线程栈)
    4. 设置运行函数, 参数到 pthread 中
    5. 调用 create_thread 创建线程
        - 设置 clone_flags 标志位, 调用 `__clone`
        - clone 系统调用返回时, 应该要返回到新线程上下文中, 因此 `__clone` 将参数和指令位置压入栈中, 返回时从该函数开始执行
    6. 内核调用 `__do_fork`
        - 在 copy_process 复制 task_struct 过程中, 五大数据结构不复制, 直接引用进程的
        - 亲缘关系设置: group_leader 和 tgid 是当前进程; real_parent 与当前进程一样
        - 信号处理: 数据结构共享, 处理一样
    7. 返回用户态, 先运行 start_thread 同样函数
        - 在 start_thread 中调用用户的函数, 运行完释放相关数据
        - 如果是最后一个线程直接退出
        - 或调用 `__free_tcb` 释放 pthread 以及线程栈, 从 stack_used 移到 stack_cache 中
    2019-05-14
    1
    9
  • 徐凯
    "将这个线程栈放到 stack_used 链表中,其实管理线程栈总共有两个链表,一个是 stack_used,也就是这个栈正被使用;另一个是 stack_cache,就是上面说的,一旦线程结束,先缓存起来,不释放,等有其他的线程创建的时候,给其他的线程用。" 这一段是线程池的意思么 如果是的话 既然内部已经有这个设计 我们有时候还要在程序中自己去设计一个呢?

    作者回复: 内核没有线程池的概念,把线程弄一个池子,是业务层做的。这里只是内核栈的复用。

    2019-05-10
    3
  • why
    老师, 多线程的内核栈是共享的吗, 会不会出现问题?

    作者回复: 不共享,进了内核都是单独的任务了

    2019-05-14
    2
  • jacy
    pstree -apl pid看进程树
    pstack pid 看栈

    作者回复: 赞

    2019-08-01
    1
  • nora
    之前总是认为线程和进程都占用了内核的taskstruct 认为实际上线程进程没啥区别,这篇文章真是醍醐灌顶啊,谢谢老师。

    作者回复: 赞,加油

    2019-05-18
    1
  • lfn
    所以,线程局部变量其实是存储在每个线程自己的用户栈里咯?

    作者回复: 是的

    2019-05-10
    1
  • garlic
    进程线程查看命令:ps,top,pidstat,pstree
    函数栈查看打印命令:
     pstack
    jstack (java)
    gdb (C/C++/go)
    kill -SIGQUIT [pid] (go)

    相关API:

    C:
    glibc backtrace
    Boost stacktrace
    libunwind

    Java:
    getStackTrace;

    go:
    panic
    debug.PrintStack
    pprof.Lookup("goroutine").WriteTo
    runtime.Stack

    python
    traceback objects
    StackSummary Objects
     笔记链接 https://garlicspace.com/?p=1678&preview=true
    2019-10-12
  • kdb_reboot
    三刷: 感觉应该讲清楚这一点,"角色划分"
    内核态是用来管理的,用户态是提供给用户用的
    这才有了为什么要两个模式来回切换, 以及,真正调度,是内核态来做的,而用户态执行是用户态自己做,这才有了单独的线程栈
    内存模型也很重要

    另外想请教个问题:从上下文来理解, 所以说,主线程的栈是用整个用户空间的栈?子线程的栈在进程的堆里面?
    2019-09-28
  • 空格
    不知道我的理解对不对?线程fork后内核态会创建task_struct,之后还是会尝试wakeup_preempt_entity,然后之后接受调度,调度成功后才会在用户态执行start_thread方法?不知道我这个理解对不对?
    2019-09-18
  • tuyu
    老师, 我最近在看k8s专栏, docker的原理是使用clone的namespace参数, 所以容器的创建, 实际上是线程的创建吗

    作者回复: 在容器那一节会讲的,clone有个特殊的参数操作namespace。其实clone和fork底层调用的是差不多的

    2019-08-26
  • kdb_reboot
    老师你终于出现了;还是之前那个问题,我现在进度比较慢,只把进程管理子系统看完了,看了一个多月,看了鸟哥私房菜 apue ulk lkd 内核代码 libc 还有你的专栏。因为进度太慢了 我的问题是后面老师还会关注这个专栏吗,或者有什么方法可以一起讨论或者联系到老师? 比如微信群或者邮箱?我做驱动开发,我感觉你的专栏完全就是为我而写的;)

    作者回复: 会关注这个专栏的

    2019-08-21
  • kdb_reboot
    跟到这一篇了,前面几篇概念感觉都是为最后这两篇作铺垫

    作者回复: 跟着系统调用,比较容易理解

    2019-07-29
  • windcaller
    pstack
    ulimit -a

    作者回复: 赞

    2019-07-08
  • youyui
    线程要进行上下文切换应该有各自的内核栈吧,那内核栈在哪里创建的?

    作者回复: fork的时候

    2019-06-19
  • humor
    老师之前说过进程默认会有一个主线程,意思是在创建进程的时候也会同时创建一个线程吗?

    作者回复: 不会,这个进程的task_struct就代表这个线程

    2019-05-30
    1
  • WL
    请问一下老师为什么栈的结构是栈底是高地址栈顶是低地址呢,为什么不是反过来的呢?

    作者回复: 约定

    2019-05-14
  • 六月星空2011
    这里应该说的是线程栈的内存空间不释放,后续创建线程的时候直接复用内存空间,而不是线程池的概念。

    作者回复: 内核的数据结构是复用的

    2019-05-13
  • W.jyao
    问一下,如果一个信号是进程共享,比如说kill,那么是主线程会收到这个信号还是这个进程的任意一个线程都有可能收到?麻烦老师解答下

    作者回复: 后面会讲信号的,信号会挂在一个数据结构上,所有的线程都能访问到的

    2019-05-11
  • 安排
    在proc目录下有每个进程的目录,进程的目录下又包含这个进程下每个线程的目录,进入线程目录中即可查看每个线程的详细信息,这是在命令行通过proc文件系统查看的情况。 pthread库应该也提供了api,用来获取每个线程的信息,暂时还没有去查。
    2019-05-10
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