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「图文结合」Linux 进程、线程、文件描述符的底层原理

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说到进程，恐怕面试中最常见的问题就是线程和进程的关系了，那么先说一下答案：在 Linux 系统中，进程和线程几乎没有区别。

Linux 中的进程其实就是一个数据结构，顺带可以理解文件描述符、重定向、管道命令的底层工作原理，最后我们从操作系统的角度看看为什么说线程和进程基本没有区别。

首先，抽象地来说，我们的计算机就是这个东西：

这个大的矩形表示计算机的内存空间，其中的小矩形代表进程，左下角的圆形表示磁盘，右下角的图形表示一些输入输出设备，比如鼠标键盘显示器等等。另外，注意到内存空间被划分为了两块，上半部分表示用户空间，下半部分表示内核空间。

用户空间装着用户进程需要使用的资源，比如你在程序代码里开一个数组，这个数组肯定存在用户空间；内核空间存放内核进程需要加载的系统资源，这一些资源一般是不允许用户访问的。但是注意有的用户进程会共享一些内核空间的资源，比如一些动态链接库等等。

我们用 C 语言写一个 hello 程序，编译后得到一个可执行文件，在命令行运行就可以打印出一句 hello world，然后程序退出。在操作系统层面，就是新建了一个进程，这个进程将我们编译出来的可执行文件读入内存空间，然后执行，最后退出。

你编译好的那个可执行程序只是一个文件，不是进程，可执行文件必须要载入内存，包装成一个进程才能真正跑起来。进程是要依靠操作系统创建的，每个进程都有它的固有属性，比如进程号（PID）、进程状态、打开的文件等等，进程创建好之后，读入你的程序，你的程序才被系统执行。

那么，操作系统是如何创建进程的呢？对于操作系统，进程就是一个数据结构，我们直接来看 Linux 的源码：

task_struct 就是 Linux 内核对于一个进程的描述，也可以称为「进程描述符」。源码比较复杂，我这里就截取了一小部分比较常见的。

我们主要聊聊 mm 指针和 files 指针。 mm 指向的是进程的虚拟内存，也就是载入资源和可执行文件的地方； files 指针指向一个数组，这个数组里装着所有该进程打开的文件的指针。

先说 files ，它是一个文件指针数组。一般来说，一个进程会从 files[0] 读取输入，将输出写入 files[1] ，将错误信息写入 files[2] 。

举个例子，以我们的角度 C 语言的 printf 函数是向命令行打印字符，但是从进程的角度来看，就是向 files[1] 写入数据；同理， scanf 函数就是进程试图从 files[0] 这个文件中读取数据。

每个进程被创建时， files 的前三位被填入默认值，分别指向标准输入流、标准输出流、标准错误流。我们常说的「文件描述符」就是指这个文件指针数组的索引，所以程序的文件描述符默认情况下 0 是输入，1 是输出，2 是错误。

我们可以重新画一幅图：

对于一般的计算机，输入流是键盘，输出流是显示器，错误流也是显示器，所以现在这个进程和内核连了三根线。因为硬件都是由内核管理的，我们的进程需要通过「系统调用」让内核进程访问硬件资源。

PS：不要忘了，Linux 中一切都被抽象成文件，设备也是文件，可以进行读和写。

如果我们写的程序需要其他资源，比如打开一个文件进行读写，这也很简单，进行系统调用，让内核把文件打开，这个文件就会被放到 files 的第 4 个位置，对应文件描述符 3：

明白了这个原理，输入重定向就很好理解了，程序想读取数据的时候就会去 files[0] 读取，所以我们只要把 files[0] 指向一个文件，那么程序就会从这个文件中读取数据，而不是从键盘：

同理，输出重定向就是把 files[1] 指向一个文件，那么程序的输出就不会写入到显示器，而是写入到这个文件中：

错误重定向也是一样的，就不再赘述。

管道符其实也是异曲同工，把一个进程的输出流和另一个进程的输入流接起一条「管道」，数据就在其中传递，不得不说这种设计思想真的很巧妙：

到这里，你可能也看出「Linux 中一切皆文件」设计思路的高明了，不管是设备、另一个进程、socket 套接字还是真正的文件，全部都可以读写，统一装进一个简单的 files 数组，进程通过简单的文件描述符访问相应资源，具体细节交于操作系统，有效解耦，优美高效。

首先要明确的是，多进程和多线程都是并发，都可以提高处理器的利用效率，所以现在的关键是，多线程和多进程有啥区别。

为什么说 Linux 中线程和进程基本没有区别呢，因为从 Linux 内核的角度来看，并没有把线程和进程区别对待。

我们知道系统调用 fork() 可以新建一个子进程，函数 pthread() 可以新建一个线程。但无论线程还是进程，都是用 task_struct 结构表示的，唯一的区别就是共享的数据区域不同。

换句话说，线程看起来跟进程没有区别，只是线程的某些数据区域和其父进程是共享的，而子进程是拷贝副本，而不是共享。就比如说， mm 结构和 files 结构在线程中都是共享的，我画两张图你就明白了：

所以说，我们的多线程程序要利用锁机制，避免多个线程同时往同一区域写入数据，否则可能造成数据错乱。

那么你可能问，既然进程和线程差不多，而且多进程数据不共享，即不存在数据错乱的问题，为什么多线程的使用比多进程普遍得多呢？

因为现实中数据共享的并发更普遍呀，比如十个人同时从一个账户取十元，我们希望的是这个共享账户的余额正确减少一百元，而不是希望每人获得一个账户的拷贝，每个拷贝账户减少十元。

当然，必须要说明的是，只有 Linux 系统将线程看做共享数据的进程，不对其做特殊看待，其他的很多操作系统是对线程和进程区别对待的，线程有其特有的数据结构，我个人认为不如 Linux 的这种设计简洁，增加了系统的复杂度。

在 Linux 中新建线程和进程的效率都是很高的，对于新建进程时内存区域拷贝的问题，Linux 采用了 copy-on-write 的策略优化，也就是并不真正复制父进程的内存空间，而是等到需要写操作时才去复制。所以 Linux 中新建进程和新建线程都是很迅速的。

相关问答

Q1: linux lsof命令详解

lsof命令用于查看linux+底层命令你进程打开的文件、打开文件的进程、进程打开的端口。找回/恢复删除的文件。是十分方便的系统监视工具linux+底层命令，因为lsof命令需要访问核心内存和各种文件linux+底层命令，所以需要root用户执行。

在Linux环境下，任何事物都以文件的形式存在，通过文件不仅仅可以访问常规数据，还可以访问网络连接和硬件。所以如传输控制协议和用户数据协议套接字等，系统在后台都为该应用程序分配linux+底层命令了一个文件描述符，无论这个文件的本质如何，该文件描述符为应用程序与基础操作系统之间的交互提供了通用接口。因为应用程序打开文件的描述符列表提供了大量关于这个应用程序本身的信息，因此通过lsof工具能够查看这个列表对系统监测以及排错将是很有帮助的。

语法linux+底层命令：

losf (选项)

选项：

-a 列出打开文件存在的进程;

-c进程名列出指定进程所打开的文件;

-g 列出GID号进程详情;

-d文件名列出占用该文件号的进程;

-n目录列出使用NFS的文件;

-i条件列出符合条件的进程。

Q2: 怎样学习linux？

学习Linux步骤：

1、先了解了解基础吧，找一本薄一点的，浅一点的书，了解一下什么是linux。有个基本了解即可。不建议马上看《鸟哥的Linux私房菜》，这本书很不错，如果你了解linux基础之后再看，对你可以说是不受益匪浅都不行。没基础看《鸟哥的Linux私房菜》比较痛苦，内容很多。

2、了解之后，在自己电脑上弄个虚拟机，装上linux系统（redhat或ubuntu都行）。专攻《鸟哥的Linux私房菜》。当你把这本书攻下来时，才知道原来命令行并不可怕，自己打着打着就很长啦。

学linux最主要靠实践，不实践，只看书对你没好处的哦。自己在虚拟机上慢慢玩吧，玩多了就知道咋回事啦。不懂的多找资料弄懂，弄懂之后再实践，这才会有收获。

Q3: Linux基础

就像我们了解的Windows和Mac OS,linux也是一个操作系统。如下图，linux就是系统调用接口和内核那两层。

通过上面的说明，我们知道了 Linux 其实就是一个操作系统最底层的核心及其提供的核心工具，任何人均可取得核心码与可执行这个核心程序，并且可以修改。此外，由于linux参考POSIX设计规范，于是兼容UNIX操作系统，故可称为Unix Like的一种。

为了让一般使用者能够接触到linux，很多的商业公司和非盈利团体，就将linux kernal(含tools)与可运行的软件整合起来，加上自己具有创意的工具程序，这个工具程序可以让用户以光盘/DVD或者透过网络直接安装和管理linux系统。这个 kernal+softwares+tools的可完全安装，我们称其为 linux distribution（可完全安装套件、linux发布商套件）

对于linux来说，所有的程序和系统装置都是文件，一切都是文件。

由于利用 Linux 来开发产品或distributions 的社群/公司与个人很多，若是每个人都用自己的想法来配置文件放置的目录，就会造成个人不能使用他人的linux系统的PC。因为你根本不知道一些基本的配置，文件在哪里，这就造成了混乱。所以，就有所谓的 Filesystem Hierarchy Standard(FHS) 标准出炉了。

也就是说，FHS 的重点在于规范每个特定的目录下应该要放置什么样子的数据而已。

事实上，这个 FHS仅是规范出在根目录 ( / ) 底下各个主要的目录应该是要放置什么样的文件而已。 FHS 定义出两层规范出来，第一层是 / 底下的各个目录应该要放置什么样内容的文件数据，例如 /etc 应该要放置设定档， /bin 与 /sbin 则应该要放置可执行档等等。第二层则是针对 /usr 及 /var 这两个目录的次目录来定义的。例如 /var/log 放置系统登录文件、 /usr/share放置共享数据等等。

在一个文件系统中，我们总有一个被称为根目录的东西，这个根目录里包含了所有其他目录和文件。

在Windows中，可以有好几个根目录，比如说C盘（C:\）是你的硬盘的根目录，H盘可能是你的光盘驱动器的根目录。

Linux中有且只有一个根目录，就是 / 。

如果以较为完整的树状目录来视察的话，可以将整个 Linux 的树状目录绘制成下图：

Linux是一个真实的、完整的多用户多任务的操作系统，多用户多任务就是可以在系统上建立多个用户，而多个用户可以在同一时间内登录同一系统执行各自不同的任务，而互不影响。例如某台Linux服务器上有4个用户，分别是root、www、ftp和MySQL，在同一时间内，root用户可能在查看系统日志，管理维护系统；www用户在修改自己的网页程序；FTP用户可能在上传软件到服务器；MySQL用户在执行自己的sql查询，每个用户互不干扰，有条不紊地进行着自己的工作，而每个用户不能越权访问，比如www用户不能执行MySQL用户的查询操作，FTP用户不能修改www用户的网页程序，由此可知，不同用户具有不同的权限，每个用户在权限允许的范围内完成不同的任务，Linux正是通过这种权限的划分与管理，实现了多用户多任务的运行机制。

Linux下用户是根据角色定义的，具体分为三种角色：

超级用户：系统管理员，拥有对系统的最高管理权限，默认是root用户

普通用户：只能对自己目录下的文件进行访问和修改，具有登录系统的权限，例如上面的www、FTP用户等

虚拟用户：也叫“伪”用户，这类用户最大的特点就是不能登录系统，他们的存在主要是方便系统管理，满足相应的系统进程对文件属主的要求。例如系统默认的bin、adm、nobody用户等，一般运行的web服务，默认就是使用的nobody用户，但是nobody用户是不能登录系统的。

Linux是一个多用户多任务的分时操作系统，如果要使用系统资源，就必须向系统管理员申请一个账户，然后通过这个账户进入系统。这个账户和用户是一个概念，通过建立不同属性的用户，一方面，可以合理的利用和控制系统资源，另一方面也可以帮助用户组织文件，提供对用户文件的安全性保护。

每个用户有用一个唯一的用户名和用户口令。

用户组是具有相同特征用户的逻辑集合，有时我们需要让多个用户具有相同的权限，比如查看、修改某一个文件的权限，一种方法是分别对多个用户进行文件访问授权，如果有10个用户的话，就需要授权10次，显然这种方法不太合理；另一种方法就是建立一个组，让这个组具有查看、修改此文件的权限，然后将所有需要访问此文件的用户放入这个组中，那么所有的用户就具有了和组一样的权限，这就是用户组。用户分组是Linux系统中对用户进行管理及控制访问权限的一种手段，通过定义用户组，很大程度上简化了管理工作。

用户和用户组的关系有：

一对一：即一个用户可以存在一个组中，也可以是组中的唯一成员

一对多：即一个用户可以存在多个用户组中，那么此用户具有多个组的共同权限。

多对一：多个用户可以存在一个组中，这些用户具有和组相同的权限

多对多：多个用户可以存在多个组中。

linux的语言是c语言写的,c语言是严格区分大小写的,linux命令中大小写也是完全不同的。

终端展现：

登录linux终端后，linux默认的命令行提示信息的格式：

说明：有些命令即使你使用su root 切换到root用户，仍无法执行。所以还是建议使用su – root

x （access directory）: x 与能否进入该目录有关

Q4: linux命令之ls -al

ls -al命令来观察文件权限，每个文件的权限都用10位表示，其中第一段占1位，表示第一个字符代表这个文件的类型（目录，文件或链接文件）。

若为“d”则是目录，若为“-”则是文件，若为“l”则表示链接文件，若为“”则表示为设备文件里面的可供存储的周边设备，若为“c”则表示为设备文件里面的串行端口设备，如键盘鼠标。

第二段占3位，表示权限，均为[rwx]的三个参数的组合。其中r表示可读，w表示可写，x表示可执行，如果没有权限，则会显示减号“-”。

扩展资料：

Linux命令注意事项：

Linux的命令（也包括文件名等等）对大小写是敏感的，也就是说，如果你输入的命令大小写不对的话，系统是不会做出你期望的响应的。

Linux常用的命令：

clear，这个命令是用来清除屏幕的，它不需要任何参数，和dos下面的cls具有相同的功能，如果你觉得屏幕太紊乱，就可以使用它清除屏幕上的信息。

目录切换（cd），使用cd（Change Directory）命令可以在不同目录之间切换。

列出目录中的文件(ls)，在Linux命令行终端中使用的最多的命令就是这个ls，它可以帮助我们列出当前目录下都有哪些文件。

参考资料来源：百度百科-Linux命令

Q5: Linux常用命令之--逻辑卷

每个Linux使用者在安装Linux时都会遇到这样的困境：在为系统分区时，如何精确评估和分配各个硬盘分区的容量，因为系统管理员不但要考虑到当前某个分区需要的容量，还要预见该分区以后可能需要的容量的最大值。如果估计不准确，当遇到某个分区不够用时管理员可能甚至要备份整个系统、清除硬盘、重新对硬盘分区，然后恢复数据到新分区

逻辑卷管理器LVM（Logicl Volume Manager），通过使用逻辑卷管理器对硬盘存储设备进行管理，可以实现硬盘空间的动态划分和调整，而且可以将零碎的空间进行整合

• 物理卷（PV－Physical Volume）

物理卷在逻辑卷管理中处于最底层，它可以是实际物理硬盘上的分区，也可以是整个物理硬盘

• 卷组（VG－Volumne Group）

卷组建立在物理卷之上，一个卷组中至少要包括一个物理卷，在卷组建立之后可动态添加物理卷到卷组中。一个逻辑卷管理系统工程中可以只有一个卷组，也可以拥有多个卷组

• 逻辑卷（LV－Logical Volume）

逻辑卷建立在卷组之上，卷中的未分配空间可以用于建立新的逻辑卷，逻辑卷建立后可以动态地扩展和缩小空间。系统中的多个逻辑卷可以属于同一个卷组，也可以属于不同的多个卷组

逻辑卷管理器和是主分区还是逻辑分区没有关系

vgdisplay 里的PE Size是指逻辑卷的最小单位。假设PE Size是4M；比如我向里写东西。我一个文件可能只占用1B的容量，但是我先占上4M，其他的也是，不足4M我也先占上4M。等到每个块都用了，但是每个块都有剩余位置的时候，会把每个区的剩余位置都拼凑一下，以供使用。但是只要还有没被占用的块，都不会使用用过的块。逻辑卷大小为这个PE Size的整数倍

处在它所在的文件夹的时候是无法卸载的

我现在想创建两个卷组，vg1和vg2。sdc1和sdc2给vg1，sdc3和sdc4给vg2

修改卷组属性，用来设置卷组是否处于活动状态，活跃状态的时候卷组无法被删除，非活动状态的卷组才能被删除掉。VG Status：resizable是表示可被调整大小的状态。lvremove时有可能因为逻辑卷里东西过多导致删除逻辑卷的时候假删除，即逻辑卷没了，但是里面东西还在，这时卷组觉得它里面还有东西，就会处于活跃状态，这时需要↓

接下来resize1要用来做块（逻辑卷）的放大，resize2要用来做块的缩小。设备放大时不论是挂载状态下或非挂载状态下都可以做放大，即在线放大。但是缩小的话设备要是非挂载的状态，即离线缩小

df -lh

发现size大小变小了。之前给的resize1是800M，resize2是784M，这里的大小表示文件系统（filesystem）大小（即这个设备能存多少东西），剩下的容量mkfs，挂载的时候都会损耗一定的容量大小。文件系统大小不会随着块的变大或缩小而改变，需要手动才能改变文件系统大小。

❉ 放大要先放大块的大小，再放大文件系统的大小

lvresize -L +200M /dev/vg3/resize1 放大逻辑卷

如果不带+，会出现warning，+时是在原有基础之上加200M，不加+的话就是将现有逻辑卷的大小调整成200M。如果比之前设置的逻辑卷小的话就证明是要将其缩小，会造成数据丢失

resize2fs /dev/vg3/resize1 调整文件系统大小，但是不会管你到底是放大还是缩小，就是将文件系统调整到它可以变大的最大程度

df -lh 看设备容量变大了

❉ 缩小的时候要先将文件系统缩小，再缩小逻辑卷的大小

umount /mnt/rs2/

resize2fs /dev/vg3/resize2 700M

出现提示 [请先输入e2fsck -f /dev/vg3/resize2 命令]，将处于多个块当中的内容整理到一起，以便进行缩小。但是也不能百分百保证数据不丢失