【Linux】线程

线程为什么存在？先得讲清楚地址空间和页表。物理内存不是一整块，被切成一份份 4KB 的空间，OS 管理内存以内存块为单位而不是字节。这篇文章从 4KB 页框讲起，推到二级页表和 MMU，再落到"进程是分配系统资源的基本实体、线程是 CPU 调度的基本单位"，最后解释 Linux 为什么用 PCB 复用模拟线程。

一、重谈地址空间：一切从 4KB 开始

1. 为什么是 4KB

物理内存被划分为一份份 4KB 空间，OS 以内存块为单位做管理，默认 4KB 是主流 Linux 用的块大小。实际上系统与磁盘做 IO 的基本单位也是 4KB（8 个扇区），整个计算机里的巧合都被精心设计过。程序编译完成后是有地址的，而且以 4KB 数据块存好；所谓加载，就是把磁盘上的 4KB 数据块搬到 4KB 的内存块上。

• 4KB 的内存块叫页框；
• 4KB 的数据块叫页帧。

父子进程写时拷贝的基本单位也是 4KB——改一点点数据也要拷 4KB，其实是用空间换时间：一个数据被改，它周围的数据大概率也要被改。

2. 用 struct page 管页框

4GB 空间里有一百多万个页框，OS 要"先描述再组织"：用 struct page 描述每一个页框，再用一个结构体数组把它们组织起来，形如 struct page memory[1048576]。每个 page 有了下标，第一个页框起始地址是 0，下一个是 1 乘 4KB，于是"page 下标换算成页框起始地址"变得平凡，对内存的管理就变成对一个数组的增删查改。

二、二级页表：32 位地址怎么拆

1. 朴素映射的荒谬

之前谈页表时没细说：如果 4GB 地址空间在页表里一一对应虚拟与物理，每组对应关系再加一个状态标记位（按 1 字节算），一组就要 9 字节，4GB 就是 36GB——太大了，肯定不能这么映射。

2. 二级页表的拆法

虚拟地址在 OS 看来不是整体，而是把 32 位拆成 10 位、10 位、12 位三段：

1. 前 10 位作索引指向第一张表，共 1024 项，这张表叫页目录；
2. 页目录每一项存的是第二张表（页表）的地址，所以页目录可以指向很多张页表；
3. 每张页表也是 1024 项，用第二个 10 位索引到其中某一项；
4. 页表中那一项存的是页框的起始地址；
5. 最后拿低 12 位（范围 0 到 4095）作页内偏移。

总结成一句：前 20 位用来搜索页框，后 12 位在页框内偏移，合起来就能索引页框里的任意字节。这种方案叫二级页表。

算一笔账：页表每项 2 字节，一个页表 2KB，共 1024 张页表，加起来 2MB，再加一级页目录 4KB。相比 36GB，省了三个数量级。

3. cr3 与 MMU

CPU 读的是虚拟地址，要按页表换成物理地址。CPU 怎么找到页表？CPU 里有 cr3 寄存器，每个进程把自己页表的页目录起始地址放在这个寄存器里。虚拟地址进 CPU 后，靠芯片里的 MMU 电路直接完成地址转换。

三、从地址空间到线程

1. 一个函数就是一批连续虚拟地址

在地址空间里，正文代码限定了一批虚拟地址范围，而且必须靠页表才能看到对应的物理空间。假设正文由 20 个函数构成，给每个函数分配一个执行流，代码就从并行变串行——技术上是可行的。函数地址其实是一批代码的入口地址，同一函数内的地址视为连续，所以一个函数对应一批连续的虚拟地址。划分这 20 个函数，本质上是在划分页表——虚拟地址本质上是一种资源。

2. 线程的定义

官方说法：线程是在进程内部运行、是 CPU 调度的基本单位。回顾进程的定义"进程 = 内核数据结构 + 进程代码和数据"，现在换个角度——站在内核视角，进程是承担分配系统资源的基本实体。

所以创建"线程"时不再新建地址空间和页表，只新建一个 task_struct；把正文代码分成几份，各由一个执行流跑。这就是"线程在进程内部运行"这句话的由来。对比一下之前学的进程：之前进程内部只有一个执行流，现在进程内有多个执行流，所以只有单执行流的进程是多执行流进程的特殊情况。

3. 家庭比喻

把 OS 想成国家，进程就是一个个家庭。家里有爸爸妈妈爷爷奶奶：你在上课（执行上课的代码）、爸妈上班（执行上班的代码）、爷爷奶奶遛弯（执行养老的代码），每个人做自己的事，一家就过好了。家庭的使命是把日子过好——这个基本实体就是进程，家庭里的每一个人就是线程。

四、Linux 为什么没有单独的 TCB

如果 OS 单独设计线程，就要设计新建、暂停、销毁、调度，线程还得和进程关联。先描述再构造：struct tcb 里存线程 id、优先级、状态、上下文、链接属性；而描述进程的结构体是 struct pcb，一个进程有多个线程。

上图那种方案其实是 Windows 里真实存在的线程控制块设计：CPU 调度时先选进程，再从进程里选一个线程。

但设计 Linux 的时候发现：线程那些属性（id、优先级、状态、上下文、链接属性等）进程也都有，为什么还要单独搞一套 TCB？更麻烦的是，进程和线程设计成两套，调度算法是不是也要写两套？于是Linux 的设计者想能不能复用 PCB，用 PCB 统一表示执行流——这样就不需要为线程单独设计数据结构和调度算法。这就是 Linux 的方案：用进程模拟的线程。显然 Linux 的方案更简洁，也正是它今天能撑起容器生态的原因之一：容器本质上就是把一批 task_struct 和一组资源限制打包在一起。

qidao123.com企服评测-应用市场 编辑提示

本文按 4KB 页框与页帧的界定、写时拷贝以 4KB 为单位的"空间换时间"解释、struct page 数组管理一百多万个页框的先描述再组织思路、32 位虚拟地址拆 10/10/12 的二级页表推演与 2MB+4KB 的容量账、cr3 寄存器与 MMU 的地址转换路径、函数与连续虚拟地址区间与"虚拟地址是一种资源"的推论、线程在进程内运行且是 CPU 调度基本单位与进程作为资源分配基本实体的定义、家庭/线程比喻、以及 Linux 复用 PCB 用进程模拟线程的设计取舍（并延伸到容器理念），重排成"内存—地址转换—执行流—调度单位"的四段式。文中数值（4KB、1024、2MB、1048576）为典型配置下的教学示意，随架构与内核配置可能变化；内容仅用于操作系统原理学习与自有环境实验。