进程与线程的理解

Posted 2020-12-18 qingbaizhinian

参考博文：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

1.什么是进程

我们都知道计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务，而操作系统（操作系统主要的就是内核）是计算机的管理者，它负责任务的调度，资源的分配和管理，统领整个计算机硬件；应用程序是具有某种功能的程序，程序是运行于操作系统之上的。

        进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集上的一次动态执行的过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是应用

程序运行的载体。进程是一种抽象的概念，从来没有统一的标准定义。进程一般由程序，数据集合和进程控制块三部分组成。程序用于描述

进程要完成的功能，是控制进程执行的指令集；数据集合是程序在执行时所需要的数据和工作区；程序控制块包含进程的描述信息和控制信息

是进程存在的唯一标志

进程具有的特征：

动态性：进程是程序的一次执行过程，是临时的，有生命期的，是动态产生，动态消亡的；

并发性：任何进程都可以同其他进行一起并发执行；

独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位；

结构性：进程由程序，数据和进程控制块三部分组成

 

2.什么是线程

在早期的操作系统中并没有线程的概念，进程是拥有资源和独立运行的最小单位，也是程序执行的最小单位。任务调度采用的是时间片

轮转的抢占式调度方式，而进程是任务调度的最小单位，每个进程有各自独立的一块内存，使得各个进程之间内存地址相互隔离。

　　后来，随着计算机的发展，对CPU的要求越来越高，进程之间的切换开销较大，已经无法满足越来越复杂的程序的要求了。于是就发明

了线程，线程是程序执行中一个单一的顺序控制流程，是程序执行流的最小单元，是处理器调度和分派的基本单位。一个进程可以有一个或

多个线程，各个线程之间共享程序的内存空间(也就是所在进程的内存空间)。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针PC，寄存器和堆栈组

成。而进程由内存空间(代码，数据，进程空间，打开的文件)和一个或多个线程组成。

 

3.进程，线程的抽象类比

单CPU：一台单核处理器计算机 = 一个车间；
多CPU：一台多核处理器计算机 = 一座工厂；

进程：一个车间 = 一个进程； （即一个运行的程序）
多进程：一座工厂可以同时运行多个车间；
CPU和进程：单CPU只能同时运行单个进程，多CPU可以同时运行多个进程。

线程：车间内一个工人 = 一个线程；
进程与线程：一个进程可以包括多个线程。

线程间内存共享：车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。
一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。

内存安全：可是，每个车间容纳大小不同，有的最多只能容纳一个人。车间人满的时候，其他人就进不去了。
一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

互斥锁：一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。
这就叫"互斥锁"–Mutex，防止两个线程同时读写某一块内存区域。

信号量：这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。
这种做法叫做"信号量"（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

锁和信号量：不难看出，互斥锁是信号量的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

操作系统的资源分配与调度逻辑

    以多进程形式，允许多个任务同时运行；
    以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；
    提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

4.进程和线程的区别

理解它们的差别，我从资源使用的角度出发。（所谓的资源就是计算机里的中央处理器，内存，文件，网络等等）

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位

开销方面：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），进程之间切换开销大；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小

所处环境：在操作系统中能同时运行多个进程（程序）；而在同一个进程（程序）中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）

内存分配：系统为每个进程分配不同的内存空间；而对线程而言，除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源

包含关系：线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程

5.多线程的适用场景是什么？为啥要用多线程？

使用多线程是为了提高程序运行的效率。假如有一个程序，要求用户输入多个算式，计算出结果，并分别打印到屏幕上。如果用户一直没有输入，那么无法计算，更无法打印。如果用户输入了，必须要全部输入完，才能计算出结果，再打印到屏幕。
使用线程的话，一个线程用来等待用户输入，一个用来计算结果，一个用来打印。用户在输入算式3的时候，计算线程在计算算式2，打印线程在打印算式1，三个线程同时进行，减少了等待，这样就提高了运行效率

 

6.什么是栈和堆

堆：是大家共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程初始化的时候分配，运行过程中也可以向系统要额外的堆，但是记得用完了要还给操作系统，要不然就是内存泄漏。

栈：是个线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立，因此，栈是　thread safe的。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换　ＳＳ／ＥＳＰ寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。

线程要单独设置线程栈，防止线程和父进程共享同一个栈，而导致破坏彼此现场。栈用于函数调用和多任务支持，像是计划书（to-do-list）。进程好比厂长，整个厂的资源都归他所有，线程好比工人，工人是无产阶级，一无所有，只会干活。堆好说，就是厂这栋建筑，大家都可以用。假设厂长给每个工人发了一个记事本（线程栈），每个工人每当要去改做另一件事时都会先记录当前任务进行到哪了。厂长自己也有一个记事本（进程栈），记录了厂里各个部门的执行任务情况。工人吃个饭来了紧急任务打算先去处理完回来继续吃，你不能把吃饭吃到第几口写到厂长的本子上去，厂长回来看到本子就去吃工人没吃完饭。每个小本本（线程栈）原则上是工人私有的。