В этом смысле Linux отличается от других операционных систем, таких как Microsoft Windows или Sun Solaris, которые имеют явные средства поддержки потоков в ядре (в этих системах иногда потоки называются процессами с быстрым переключением контекста, lightweight process). Название "процесс с быстрым переключением контекста" показывает разницу между философией Linux и других операционных систем. Для остальных операционных систем потоки— это абстракция, которая обеспечивает облегченные, более быстрые для исполнения сущности, чем обычные тяжелые процессы. Для операционной системы Linux потоки — это просто способ совместного использования ресурсов несколькими процессами (которые и так имеют достаточно малое время переключения контекста)[18].
Допустим, у нас есть процесс, состоящий из четырех потоков. В операционных системах с явной поддержкой потоков должен существовать дескриптор процесса, который далее указывает на четыре потока. Дескриптор процесса описывает совместно используемые ресурсы, такие как адресное пространство и открытые файлы. Потоки описываются ресурсами, которые принадлежат только им. В ОС Linux, наоборот, существует просто четыре процесса и, соответственно, четыре обычные структуры task_struct. Четыре процесса построены так, чтобы совместно использовать определенные ресурсы.
Потоки создаются так же, как и обычные задания, за исключением того, что в системный вызов clone() передаются флаги с указанием, какие ресурсы должны использоваться совместно:
clone(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND, 0);
Результат выполнения показанного кода будет таким же, как и при выполнении обычного вызова fork(), за исключением того, что адресное пространство, ресурсы файловой системы, дескрипторы файлов и обработчики сигналов останутся общими. Другими словами, новая задача, так же как и родительский процесс, — обычные потоки. В отличие от этого, обычный вызов fork() может быть реализован следующим образом:
clone(SIGCHLD, 0);
а вызов vfork() в таком виде:
clone(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0);
Флаги, которые передаются в системный вызов clone() , помогают указать особенности поведения нового процесса и детализировать, какие ресурсы должны быть общими для родительского и порожденного процессов. В табл. 3.1 приведены флаги системного вызова clone() и их эффект.
Таблица 3.1. Флаги системного вызова clone()
| Флаг | Описание |
|---|---|
CLONE_FILES |
Родительский и порожденный процессы совместно используют открытые файлы |
CLONE_FS |
Родительский и порожденный процессы совместно используют информацию о файловой системе |
CLONE_IDLETASK |
Установить значение PID в нуль (используется только для холостых (idle) задач) |
CLONE_NEWNS |
Создать новое пространство имен для порожденной задачи |
CLONE_PARENT |
Родительский процесс вызывающего процесса становится родительским и для порожденного |
CLONE_PTRACE |
Продолжить трассировку и для порожденного процесса |
CLONE_SETTID |
Возвратить значение идентификатора TID в пространство пользователя |
CLONE_SETTLS |
Для порожденного процесса создать новую область локальных данных потока (thread local storage, TLS) |
CLONE_SIGHAND |
У порожденного и родительского процессов будут общие обработчики сигналов |
CLONE_SYSVSEM |
У родительского и порожденного процессов будет общая семантика обработки флага SEM_UNDO для семафоров System V |
CLONE_THREAD |
Родительский и порожденный процессы будут принадлежать одной группе потоков |
CLONE_VFORK |
Использовать vfork(): родительский процесс будет находиться а приостановленном состоянии, пока порожденный процесс не возобновит его работу |
CLONE_UNTRACED |
Запретить родительскому процессу использование флага CLONE_PTRACE для порожденного процесса |
CLONE_STOP |
Запустить процесс в состоянии TASK_STOPPED |
CLONE_CHILD_CLEARTID |
Очистить идентификатор TID для порожденного процесса |
CLONE_CHILD_SETTID |
Установить идентификатор TID для порожденного процесса |
CLONE_PARENT_SETTID |
Установить идентификатор TID для родительского процесса |
CLONE_VM |
У порожденного и родительского процессов будет общее адресное пространство |
Потоки в пространстве ядра
Часто в ядре полезно выполнить некоторые операции в фоновом режиме. В ядре такая возможность реализована с помощью потоков пространства ядра (kernel thread) — обычных процессов, которые выполняются исключительно в пространстве ядра. Наиболее существенным отличием между потоками пространства ядра и обычными процессами является то, что потоки в пространстве ядра не имеют адресного пространства (значение указателя mm для них равно NULL). Эти потоки работают только в пространстве ядра, и их контекст не переключается в пространство пользователя. Тем не менее потоки в пространстве ядра планируются и вытесняются так же, как и обычные процессы.
В ядре Linux потоки пространства ядра выполняют определенные задания, наиболее часто используемые, — это pdfush и ksoftirq. Эти потоки создаются при загрузке системы другими потоками пространства ядра. В действительности поток в пространстве ядра может быть создан только другим потоком, работающим в пространстве ядра. Интерфейс для запуска нового потока в пространстве ядра из уже существующего потока следующий:
18
Как пример можно привести тесты по измерению времени создания процессов (и даже потоков) и операционной системе Linux по сравнению с другими операционными системами. Результаты очень хорошие.