之前寫了兩篇文章，都是針對Linux這個系統的，為什么?我為什么這么喜歡寫這個系統的知識，可能就是為了今天的內容多線程系列，現在多線程不是一個面試重點 啊，那如果你能深入系統內核回答這個知識點，面試官會怎么想?你會不會占據面試的主動權(我不會說今天被一個面試者驚艷到了的)今天，我就開始一個系列的內容，多線程--高并發，深入的給大家講解，我就不信講不明白這么個小東西，有問題的地方希望大家能夠指出，謝謝，大家一起成長

今天我們將第一個知識點：進程

Linux 內核如何描述一個進程?

1. Linux 的進程

進程的術語是 process，是 Linux 最基礎的抽象，另一個基礎抽象是文件。

最簡單的理解，進程就是執行中 (executing, 不等于running) 的程序。

更準確一點的理解，進程包括執行中的程序以及相關的資源 (包括cpu狀態、打開的文件、掛起的信號、tty、內存地址空間等)。

一種簡潔的說法：進程 = n*執行流 + 資源，n>=1。

Linux 進程的特點：

通過系統調用 fork() 創建進程，fork() 會復制現有進程來創建一個全新的進程。

內核里，并不嚴格區分進程和線程。

從內核的角度看，調度單位是線程 (即執行流)。可以把線程看做是進程里的一條執行流，1個進程里可以有1個或者多個線程。

內核里，常把進程稱為 task 或者 thread，這樣描述更準確，因為許多進程就只有1條執行流。

內核通過輕量級進程 (lightweight process) 來支持多線程。1個輕量級進程就對應1個線程，輕量級進程之間可以共享打開的文件、地址空間等資源。

2. Linux 的進程描述符

2.1 task_struct

內核里，通過 task_struct 結構體來描述一個進程，稱為進程描述符 (process descriptor)，它保存著支撐一個進程正常運行的所有信息。

每一個進程，即便是輕量級進程(即線程)，都有1個 task_struct。

?(include\linux)??struct?task_struct?{??struct?thread_info?thread_info;??volatile?long?state;??void?*stack;??[...]??struct?mm_struct?*mm;??[...]??pid_t?pid;??[...]??struct?task_struct?*parent;??[...]??char?comm[TASK_COMM_LEN];??[...]??struct?files_struct?*files;??[...]??struct?signal_struct?*signal;??}?

這是一個龐大的結構體，不僅有許多進程相關的基礎字段，還有許多指向其他數據結構的指針。

它包含的字段能完整地描述一個正在執行的程序，包括 cpu 狀態、打開的文件、地址空間、掛起的信號、進程狀態等。

作為初學者，先簡單地了解部分字段就好：：

• struct thread_info thread_info: 進程底層信息，平臺相關，下面會詳細描述。
• long state: 進程當前的狀態，下面是幾個比較重要的進程狀態以及它們之間的轉換流程。

• void *stack: 指向進程內核棧，下面會解釋。
• struct mm_struct *mm: 與進程地址空間相關的信息都保存在一個叫內存描述符 (memory descriptor) 的結構體 (mm_struct) 中。

pid_t pid: 進程標識符，本質就是一個數字，是用戶空間引用進程的唯一標識。

struct?task_struct?*parent:?父進程的?task_struct。??char?comm[TASK_COMM_LEN]:?進程的名稱。??struct?files_struct　*files:?打開的文件表。??struct?signal_struct?*signal:?信號處理相關。?

其他字段，等到有需要的時候再回過頭來學習。

當發生系統調用或者進程切換時，內核如何找到 task_struct ?

對于 ARM 架構，答案是：通過內核棧 (kernel mode stack)。

為什么要有內核棧?

因為內核是可重入的，在內核中會有多條與不同進程相關聯的執行路徑。因此不同的進程處于內核態時，都需要有自己私有的進程內核棧 (process kernel stack)。

當進程從用戶態切換到內核態時，所使用的棧會從用戶棧切換到內核棧。

至于是如何切換的，關鍵詞是系統調用，這不是本文關注的重點，先放一邊，學習內核要懂得恰當的時候忽略細節。

當發生進程切換時，也會切換到目標進程的內核棧。

同上，關鍵詞是硬件上下文切換 (hardware context switch)，忽略具體實現。

無論何時，只要進程處于內核態，就會有內核棧可以使用，否則系統就離崩潰不遠了。

ARM 架構的內核棧和 task_struct 的關系如下：

內核棧的長度是 THREAD_SIZE，對于 ARM 架構，一般是 2 個頁框的大小，即 8KB。

內核將一個較小的數據結構 thread_info 放在內核棧的底部，它負責將內核棧和 task_struct 串聯起來。thread_info 是平臺相關的，在 ARM 架構中的定義如下：

//??(arch\arm\include\asm)??struct?thread_info?{??unsigned?long?flags;?/*?low?level?flags?*/??int?preempt_count;?/*?0?=>?preemptable,?<0?=>?bug?*/??mm_segment_t?addr_limit;?/*?address?limit?*/??struct?task_struct?*task;?/*?main?task?structure?*/??[...]??struct?cpu_context_save?cpu_context;?/*?cpu?context?*/??[...]??};?

thread_info 保存了一個進程能被調度執行的最底層信息(low level task data)，例如struct cpu_context_save cpu_context 會在進程切換時用來保存/恢復寄存器上下文。

內核通過內核棧的棧指針可以快速地拿到 thread_info：

//??(include\linux)??static?inline?struct?thread_info?*current_thread_info(void)??{??//?current_stack_pointer?是當前進程內核棧的棧指針??return?(struct?thread_info?*)??(current_stack_pointer?&?~(THREAD_SIZE?-?1));??}??然后通過?thread_info?找到?task_struct:??//?current.h?(include\asm-generic)??#define?current?(current_thread_info()->task)?

內核里通過 current 宏可以獲得當前進程的 task_struct。

2.3 task_struct 的分配和初始化

當上層應用使用 fork() 創建進程時，內核會新建一個 task_struct。

進程的創建是個復雜的工作，可以延伸出無數的細節。這里我們只是簡單地了解一下 task_struct 的分配和部分初始化的流程。

fork() 在內核里的核心流程：

dup_task_struct() 做了什么?

至于設置內核棧里做了什么，涉及到了進程的創建與切換，不在本文的關注范圍內，以后再研究了。

3. 實驗：打印 task_struct / thread_info / kernel mode stack

實驗目的：

• 梳理 task_struct / thread_info / kernel mode stack 的關系。

實驗代碼：

實驗代碼：?#include?<linux/?#include?<linux/?#include?<linux/>??static?void?print_task_info(struct?task_struct?*task)?{?????printk(KERN_NOTICE?"%10s?%5d?task_struct?(%p)?/?stack(%p~%p)?/?thread_info->task?(%p)",?????????task->comm,?????????task->pid,?????????task,?????????task->stack,?????????((unsigned?long?*)task->stack)?+?THREAD_SIZE,?????????task_thread_info(task)->task);?}??static?int?__init?task_init(void)?{?????struct?task_struct?*task?=?current;??????printk(KERN_INFO?"task?module?init\n");??????print_task_info(task);?????do?{?????????task?=?task->parent;?????????print_task_info(task);?????}?while?(task->pid?!=?0);??????return?0;?}?module_init(task_init);??static?void?__exit?task_exit(void)?{?????printk(KERN_INFO?"task?module?exit\n?");?}?module_exit(task_exit);?

運行效果：

task?module?init?????insmod??3123?task_struct?(edb42580)?/?stack(ed46c000~ed474000)?/?thread_info->task?(edb42580)???????bash??2393?task_struct?(eda13e80)?/?stack(c9dda000~c9de2000)?/?thread_info->task?(eda13e80)???????sshd??2255?task_struct?(ee5c9f40)?/?stack(c9d2e000~c9d36000)?/?thread_info->task?(ee5c9f40)???????sshd???543?task_struct?(ef15f080)?/?stack(ee554000~ee55c000)?/?thread_info->task?(ef15f080)????systemd?????1?task_struct?(ef058000)?/?stack(ef04c000~ef054000)?/?thread_info->task?(ef058000)?

在程序里，我們通過 task_struct 找到 stack，然后通過 stack 找到 thread_info，最后又通過 thread_info->task 找到 task_struct。

到這里，不知道你對進程的概念是不是有了一個清晰的理解

但是上面是通過Linux進行了線程的展示，在日常的工作中，代碼的實現和編寫我們還是以Java為主，那我們來看一下Java進程

進程的創建

Java提供了兩種方法用來啟動進程或其它程序：

• 使用Runtime的exec()方法
• 使用ProcessBuilder的start()方法

ProcessBuilder

ProcessBuilder類是J2SE 1.5在中新添加的一個新類，此類用于創建操作系統進程，它提供一種啟動和管理進程(也就是應用程序)的方法。在J2SE 1.5之前，都是由Process類處來實現進程的控制管理。

每個 ProcessBuilder 實例管理一個進程屬性集。start() 方法利用這些屬性創建一個新的 Process 實例。start() 方法可以從同一實例重復調用，以利用相同的或相關的屬性創建新的子進程。

每個進程生成器管理這些進程屬性：

• 命令 是一個字符串列表，它表示要調用的外部程序文件及其參數(如果有)。在此，表示有效的操作系統命令的字符串列表是依賴于系統的。例如，每一個總體變量，通常都要成為此列表中的元素，但有一些操作系統，希望程序能自己標記命令行字符串——在這種系統中，Java 實現可能需要命令確切地包含這兩個元素。
• 環境 是從變量 到值 的依賴于系統的映射。初始值是當前進程環境的一個副本(請參閱 ())。
• 工作目錄。默認值是當前進程的當前工作目錄，通常根據系統屬性 來命名。
• redirectErrorStream 屬性。最初，此屬性為 false，意思是子進程的標準輸出和錯誤輸出被發送給兩個獨立的流，這些流可以通過 () 和 () 方法來訪問。如果將值設置為 true，標準錯誤將與標準輸出合并。這使得關聯錯誤消息和相應的輸出變得更容易。在此情況下，合并的數據可從 () 返回的流讀取，而從 () 返回的流讀取將直接到達文件尾。

修改進程構建器的屬性將影響后續由該對象的 start() 方法啟動的進程，但從不會影響以前啟動的進程或 Java 自身的進程。大多數錯誤檢查由 start() 方法執行。可以修改對象的狀態，但這樣 start() 將會失敗。例如，將命令屬性設置為一個空列表將不會拋出異常，除非包含了 start()。

注意，此類不是同步的。如果多個線程同時訪問一個 ProcessBuilder，而其中至少一個線程從結構上修改了其中一個屬性，它必須 保持外部同步。

構造方法摘要

ProcessBuilder(List?command)??利用指定的操作系統程序和參數構造一個進程生成器。??ProcessBuilder(String...?command)??利用指定的操作系統程序和參數構造一個進程生成器。?

方法摘要

List?command()??返回此進程生成器的操作系統程序和參數。??ProcessBuilder?command(List?command)??設置此進程生成器的操作系統程序和參數。??ProcessBuilder?command(String...?command)??設置此進程生成器的操作系統程序和參數。??File?directory()??返回此進程生成器的工作目錄。??ProcessBuilder?directory(File?directory)??設置此進程生成器的工作目錄。??Map?environment()??返回此進程生成器環境的字符串映射視圖。??boolean?redirectErrorStream()??通知進程生成器是否合并標準錯誤和標準輸出。??ProcessBuilder?redirectErrorStream(boolean?redirectErrorStream)??設置此進程生成器的?redirectErrorStream?屬性。??Process?start()??使用此進程生成器的屬性啟動一個新進程。?

1.2 Runtime

每個 Java 應用程序都有一個 Runtime 類實例，使應用程序能夠與其運行的環境相連接。可以通過 getRuntime 方法獲取當前運行時。

應用程序不能創建自己的 Runtime 類實例。但可以通過 getRuntime 方法獲取當前Runtime運行時對象的引用。一旦得到了一個當前的Runtime對象的引用，就可以調用Runtime對象的方法去控制Java虛擬機的狀態和行為。

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void?addShutdownHook(Thread?hook)??注冊新的虛擬機來關閉掛鉤。??int?availableProcessors()??向?Java?虛擬機返回可用處理器的數目。??Process?exec(String?command)??在單獨的進程中執行指定的字符串命令。??Process?exec(String[]?cmdarray)??在單獨的進程中執行指定命令和變量。??Process?exec(String[]?cmdarray,?String[]?envp)??在指定環境的獨立進程中執行指定命令和變量。??Process?exec(String[]?cmdarray,?String[]?envp,?File?dir)??在指定環境和工作目錄的獨立進程中執行指定的命令和變量。??Process?exec(String?command,?String[]?envp)??在指定環境的單獨進程中執行指定的字符串命令。??Process?exec(String?command,?String[]?envp,?File?dir)??在有指定環境和工作目錄的獨立進程中執行指定的字符串命令。??void?exit(int?status)??通過啟動虛擬機的關閉序列，終止當前正在運行的?Java?虛擬機。??long?freeMemory()??返回?Java?虛擬機中的空閑內存量。??void?gc()??運行垃圾回收器。??InputStream?getLocalizedInputStream(InputStream?in)??已過時。?從?JDK??開始，將本地編碼字節流轉換為?Unicode?字符流的首選方法是使用?InputStreamReader?和?BufferedReader?類。??OutputStream?getLocalizedOutputStream(OutputStream?out)??已過時。?從?JDK??開始，將?Unicode?字符流轉換為本地編碼字節流的首選方法是使用?OutputStreamWriter、BufferedWriter?和?PrintWriter?類。??static?Runtime?getRuntime()??返回與當前?Java?應用程序相關的運行時對象。??void?halt(int?status)??強行終止目前正在運行的?Java?虛擬機。??void?load(String?filename)??加載作為動態庫的指定文件名。??void?loadLibrary(String?libname)??加載具有指定庫名的動態庫。??long?maxMemory()??返回?Java?虛擬機試圖使用的最大內存量。??boolean?removeShutdownHook(Thread?hook)??取消注冊某個先前已注冊的虛擬機關閉掛鉤。??void?runFinalization()??運行掛起?finalization?的所有對象的終止方法。??static?void?runFinalizersOnExit(boolean?value)??已過時。?此方法本身具有不安全性。它可能對正在使用的對象調用終結方法，而其他線程正在操作這些對象，從而導致不正確的行為或死鎖。??long?totalMemory()??返回?Java?虛擬機中的內存總量。??void?traceInstructions(boolean?on)??啟用/禁用指令跟蹤。??void?traceMethodCalls(boolean?on)??啟用/禁用方法調用跟蹤。?

1.3 Process

不管通過哪種方法啟動進程后，都會返回一個Process類的實例代表啟動的進程，該實例可用來控制進程并獲得相關信息。Process 類提供了執行從進程輸入、執行輸出到進程、等待進程完成、檢查進程的退出狀態以及銷毀(殺掉)進程的方法：

void?destroy()??殺掉子進程。??一般情況下，該方法并不能殺掉已經啟動的進程，不用為好。??int?exitValue()??返回子進程的出口值。??只有啟動的進程執行完成、或者由于異常退出后，exitValue()方法才會有正常的返回值，否則拋出異常。??InputStream?getErrorStream()??獲取子進程的錯誤流。??如果錯誤輸出被重定向，則不能從該流中讀取錯誤輸出。??InputStream?getInputStream()??獲取子進程的輸入流。??可以從該流中讀取進程的標準輸出。??OutputStream?getOutputStream()??獲取子進程的輸出流。??寫入到該流中的數據作為進程的標準輸入。??int?waitFor()??導致當前線程等待，如有必要，一直要等到由該?Process?對象表示的進程已經終止。?

2.多進程編程實例

一般我們在java中運行其它類中的方法時，無論是靜態調用，還是動態調用，都是在當前的進程中執行的，也就是說，只有一個java虛擬機實例在運行。而有的時候，我們需要通過java代碼啟動多個java子進程。這樣做雖然占用了一些系統資源，但會使程序更加穩定，因為新啟動的程序是在不同的虛擬機進程中運行的，如果有一個進程發生異常，并不影響其它的子進程。

在Java中我們可以使用兩種方法來實現這種要求。最簡單的方法就是通過Runtime中的exec方法執行java classname。如果執行成功，這個方法返回一個Process對象，如果執行失敗，將拋出一個IOException錯誤。下面讓我們來看一個簡單的例子。

//?文件?import?.*;?public?class?Test?{?　public?static?void?main(String[]?args)?　{?FileOutputStream?fOut?=?new?FileOutputStream("c:\\");?fOut.close();?System.out.println("被調用成功!");?　}?}???//??public?class?Test_Exec?{?　public?static?void?main(String[]?args)?　{?Runtime?run?=?();?Process?p?=?run.exec("java?test1");?　}?}?

通過java Test_Exec運行程序后，發現在C盤多了個文件，但在控制臺中并未出現"被調用成功!"的輸出信息。因此可以斷定，Test已經被執行成功，但因為某種原因，Test的輸出信息未在Test_Exec的控制臺中輸出。這個原因也很簡單，因為使用exec建立的是Test_Exec的子進程，這個子進程并沒有自己的控制臺，因此，它并不會輸出任何信息。

如果要輸出子進程的輸出信息，可以通過Process中的getInputStream得到子進程的輸出流(在子進程中輸出，在父進程中就是輸入)，然后將子進程中的輸出流從父進程的控制臺輸出。具體的實現代碼如下如示：

//??import?.*;?public?class?Test_Exec_Out?{?　public?static?void?main(String[]?args)?　{?Runtime?run?=?();?Process?p?=?run.exec("java?test1");?BufferedInputStream?in?=?new?BufferedInputStream(());?BufferedReader?br?=?new?BufferedReader(new?InputStreamReader(in));?String?s;?while?((s?=?())?!=?null)?　System.out.println(s);?　}?}?

從上面的代碼可以看出，在中通過按行讀取子進程的輸出信息，然后在Test_Exec_Out中按每行進行輸出。 上面討論的是如何得到子進程的輸出信息。那么，除了輸出信息，還有輸入信息。既然子進程沒有自己的控制臺，那么輸入信息也得由父進程提供。我們可以通過Process的getOutputStream方法來為子進程提供輸入信息(即由父進程向子進程輸入信息，而不是由控制臺輸入信息)。我們可以看看如下的代碼：

//?文件?import?.*;?public?class?Test?{?　public?static?void?main(String[]?args)?　{?BufferedReader?br?=?new?BufferedReader(new?InputStreamReader(System.in));?System.out.println("由父進程輸入的信息："?+?());?　}?}???//??import?.*;?public?class?Test_Exec_In?{?　public?static?void?main(String[]?args)?　{?Runtime?run?=?();?Process?p?=?run.exec("java?test2");?BufferedWriter?bw?=?new?BufferedWriter(new?OutputStreamWriter(()));?("向子進程輸出信息");?();?bw.close();?//?必須得關閉流，否則無法向子進程中輸入信息?//?System.in.read();?　}?}?

從以上代碼可以看出，Test1得到由Test_Exec_In發過來的信息，并將其輸出。當你不加()和()時，信息將無法到達子進程，也就是說子進程進入阻塞狀態，但由于父進程已經退出了，因此，子進程也跟著退出了。如果要證明這一點，可以在最后加上.read()，然后通過任務管理器(在windows下)查看java進程，你會發現如果加上()和()，只有一個java進程存在，如果去掉它們，就有兩個java進程存在。這是因為，如果將信息傳給Test2，在得到信息后，Test2就退出了。在這里有一點需要說明一下，exec的執行是異步的，并不會因為執行的某個程序阻塞而停止執行下面的代碼。因此，可以在運行test2后，仍可以執行下面的代碼。

exec方法經過了多次的重載。上面使用的只是它的一種重載。它還可以將命令和參數分開，如exec("")可以寫成exec("java", "test2")。exec還可以通過指定的環境變量運行不同配置的java虛擬機。

除了使用Runtime的exec方法建立子進程外，還可以通過ProcessBuilder建立子進程。ProcessBuilder的使用方法如下：

//??import?.*;?public?class?Test_Exec_Out?{?　public?static?void?main(String[]?args)?　{?ProcessBuilder?pb?=?new?ProcessBuilder("java",?"test1");?Process?p?=?();?…?…?　}?}?

在建立子進程上，ProcessBuilder和Runtime類似，不同的ProcessBuilder使用start()方法啟動子進程，而Runtime使用exec方法啟動子進程。得到Process后，它們的操作就完全一樣的。

ProcessBuilder和Runtime一樣，也可設置可執行文件的環境信息、工作目錄等。下面的例子描述了如何使用ProcessBuilder設置這些信息。

ProcessBuilder?pb?=?new?ProcessBuilder("Command",?"arg2",?"arg2",?''');?//?設置環境變量?Map<String,?String>?env?=?();?("key1",?"value1");?("key2");?("key2",?("key1")?+?"_test");?("..\abcd");?//?設置工作目錄?Process?p?=?();?//?建立子進程?

【編輯推薦】

【責任編輯：

未麗燕

TEL：(010)68476606】

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux多线程_Java+Linux，深入内核源码讲解多线程之进程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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