进程与线程¶
进程不是“正在运行的程序文件”，而是一组受保护资源与执行状态的容器；线程是其中可被独立调度的执行流。同一程序文件可产生多个进程，一个进程也可拥有多个线程。
把进程拆开¶
以 Unix/POSIX 与 Linux 为坐标，一个进程通常关联：
- 虚拟地址空间及其映射；
- 一个或多个线程的寄存器、栈与调度状态；
- 文件描述符表和当前目录；
- 信号处置、凭据、资源限制；
- 父子关系、进程组和会话；
- namespace 与 cgroup 归属。
这些资源并非都嵌在一个“大进程对象”里。Linux task_struct 表示可调度任务，各类资源通过指针引用并可按 clone flags 共享。进程与线程因而更像共享关系的不同组合。
线程的最小状态¶
调度线程至少需要：
- 通用寄存器、PC/SP 与状态寄存器；
- 内核栈和内核调度状态；
- TLS 基址；
- 信号掩码与待处理状态；
- 浮点/向量等扩展状态；
- 调度类、优先级、亲和性与统计。
上下文切换不只保存寄存器。新线程工作集可能不在 cache/TLB 中，分支历史也不同；频繁迁移还会改变 NUMA 局部性。
fork：复制视图，不复制所有字节¶
POSIX fork() 创建调用进程的副本；Linux 通常用 copy-on-write 共享物理页：
- 为子进程建立新的地址空间元数据；
- 父子 PTE 指向相同物理页并去掉写权限；
- 任一方写入时触发 protection fault；
- 内核分配新页、复制内容并更新该方 PTE；
- 完成 TLB 同步后重试写指令。
fork 后父子文件描述符通常引用同一个 open file description，因此共享文件偏移和状态标志。它们的描述符表本身可以独立关闭或替换条目。
exec：保留身份，替换程序映像¶
成功 execve 不创建新进程；它用新程序替换当前地址空间、栈和入口点，PID 仍保持。许多属性保留，部分信号处置和映射被重置，带 FD_CLOEXEC 的描述符被关闭。
fork + exec 的分工使 shell 能在 exec 前完成重定向、管道、凭据和进程组配置。
一个正确等待的 fork/exec¶
下面是 POSIX.1-2008 / Linux 可编译 C11 示例。它处理 EINTR，并把 exec 失败通过 _exit 结束，避免刷新父进程复制来的 stdio 缓冲。
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
extern char **environ;
int main(void) {
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) { perror("fork"); return 1; }
if (pid == 0) {
char *const argv[] = {"/bin/echo", "hello", NULL};
execve(argv[0], argv, environ);
perror("execve");
_exit(127);
}
int status;
while (waitpid(pid, &status, 0) < 0) {
if (errno == EINTR) continue;
perror("waitpid"); return 1;
}
if (WIFEXITED(status)) return WEXITSTATUS(status);
if (WIFSIGNALED(status)) return 128 + WTERMSIG(status);
return 1;
}
在严格 POSIX 环境可显式构造环境数组或使用 execv；environ 的声明方式依实现头文件约定。
Linux clone¶
Linux clone/clone3 通过 flags 选择共享边界：
CLONE_VM：共享地址空间；CLONE_FILES：共享文件描述符表；CLONE_FS：共享当前目录等 fs 信息；CLONE_SIGHAND：共享信号处置；CLONE_THREAD：进入同一线程组；CLONE_NEW*：创建 namespace。
普通应用应优先使用 pthread 或语言运行时；手写 clone 还要正确设置线程栈、TLS、退出通知和信号语义。
线程共享什么¶
同进程线程通常共享代码、heap、全局变量、映射和文件描述符；每个线程有自己的寄存器、栈、TLS、调度状态和信号掩码。共享地址空间使通信便宜，也意味着任一线程的越界写可破坏整个进程。
POSIX thread 创建：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
static void *worker(void *arg) {
long id = *(long *)arg;
printf("worker %ld\n", id);
return NULL;
}
int main(void) {
pthread_t t;
long id = 1;
int e = pthread_create(&t, NULL, worker, &id);
if (e) return 1;
return pthread_join(t, NULL) != 0;
}
这里 id 在 join 前一直存活。若把循环中的局部变量地址交给多个线程，必须证明每个线程看到的对象身份和生命周期正确。
进程状态¶
一个实用状态图：
new -> runnable -> running -> sleeping
^ | |
| v |
+------ preempt <------- wakeup
running -> exited -> zombie -> reaped
zombie 已经不执行，也不占用户地址空间，保留的是退出状态和少量身份信息，等待父进程 wait。父进程不回收会积累僵尸；孤儿由合适的 subreaper/init 机制接管。
不可中断 sleep 在 Linux 进程状态中表示特定内核等待语义，不等于“进程死锁”，需结合内核栈和等待事件判断。
信号与多线程¶
信号可以面向进程或特定线程；处置通常进程共享，signal mask 每线程独立。异步 signal handler 只能安全调用 async-signal-safe 函数。锁、分配器和大多数 C++ 运行时操作都不安全。
多线程程序常选择：
- 在所有工作线程屏蔽一组信号；
- 用专门线程通过
sigwait同步接收； - 将事件转成普通队列或取消请求。
这比在异步 handler 中执行复杂逻辑更可审计。
创建与切换成本¶
成本来源包括：
- 内核对象、页表与栈；
- copy-on-write 元数据与后续 fault；
- TLS 和运行时初始化；
- 调度队列与负载均衡；
- cache/TLB 冷却；
- 父子或线程间同步。
线程池减少重复创建成本，但会引入队列、背压、任务生命周期和过度订阅。协程降低用户态等待的栈与切换成本，却不会消除真正的 CPU 工作或内核 I/O，见协程。
怎样观察¶
Linux 可组合：
ps -eLo pid,tid,ppid,psr,stat,comm
cat /proc/$PID/status
cat /proc/$PID/maps
strace -f -e clone,clone3,execve,wait4 ./program
perf sched timehist
strace 会改变时序，/proc 是瞬时快照，perf sched 依赖 trace 权限。诊断上下文切换时同时记录 voluntary/involuntary、runqueue delay 和迁移，而不是只看总次数。
失败模式¶
fork后在多线程子进程中调用非 async-signal-safe 逻辑再 exec；- 子进程 exec 失败后调用
exit，重复刷新缓冲； - 忘记 wait，积累 zombie；
- 把 PID 当永久身份，忽略复用；
- 在线程结束前释放传入参数；
- 把线程安全等同于 signal handler 安全；
- 用进程数或线程数直接推断实际并行度；
- 把 Linux clone flags 当 POSIX 进程定义。