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线程调度为什么比进程调度更少开销?
在对比进程调度与线程调度的开销前,我们需要明白两点:
- 进程与线程的差异
- 任务调度的开销
进程与线程的差异
我们首先要明白,线程和进程有什么关系?从概念上来讲,线程是进程的一部分,只是任务调度相关的部分,所以我们才说,“线程是调度的最小单位”。进程拥有着资源,这些资源不属于某一个特定线程,因为所有线程共享进程拥有的资源,所以我们才说,“进程是资源分配的最小单位”。需要特别说明的是,Linux在线程与进程的实现上与概念上有少许差别,这个等下再讨论。
所以,我们fork一个新的进程时,实际上“伴生”了一个线程,而这个唯一的线程,实际上代表了这个进程参与到任务调度。在执行的过程中,进程通过pthread_create
创建了更多的线程,例如上图中的线程2,线程n。此时,不管线程1,线程2,还是线程n,他们都代表了进程进行任务调度。
既然我们知道了进程与线程有什么关系,那么实际的linux内核是怎么实现进程与线程的呢?
在linux中,不管进程还是线程,都用struct task_struct
描述。
struct task_struct {
...
struct mm_struct *mm; /*内存资源*/
...
}
既然都是用struct task_struct
描述,那么进程和线程的关系怎么体现?资源指针!例如上面代码块描述的结构成员struct mm_struct *mm
,这是一个指针,指向实际的内存资源。同一个进程内的所有线程,他们都使用相同的资源,只需要把对应的资源指针指向相同的地址。
Linux内核就好像淡化了“线程”的概念,每一个线程描述都是struct task_struct
,他们都是一个独立的“进程”,都有着自己的进程号,都参与任务调度,只不过指向相同的进程资源。
任务调度的开销
既然我们知道了进程和线程在linux实现上的关系,我们再来分析,为什么说线程调度比进程调度开销更小?
或许你有这样的疑问,既然在linux实现上,线程都是独立的struct task_struct
,都参与任务调度,那这里说的线程调度和进程调度怎么区分?
我们不妨这样定义:
线程调度:使用相同资源的`struct task_struct`之间的调度
进程调度:使用不同资源的`struct task_struct`之间的调度
基于这样的定义,为了方便分析问题,我们回顾一下任务调度的开销主要有什么?
1. CPU执行任务调度的开销,主要是进程上下文切换的开销
2. 任务调度后,CPU Cache/TLB不命中,导致缺页中断的开销
对于第1点的开销,不管是进程调度还是线程调度都是必须的,所以,两者的差异体现在第2点。
再看回我们对“进程调度”和“线程调度”的定义,有没觉得灵光一闪?既然线程调度的struct task_struct
都使用相同的资源,是不是就意味着,我即使切换到了其他的线程,CPU Cache/TLB命中的概率会高很多?相反,进程调度使用的是不同的资源,每次换了个进程,就意味着原有的Cache就不适用了,没命中,就触发更多的缺页中断,开销自然就更多。
所以,我们明白了,线程调度为什么比进程调度更少开销。
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