一、进程与线程

计算机的核心是cpu，承担计算任务

操作系统则是计算机的管理者，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
  • 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。

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

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。
  • 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。

线程和进程都是一种抽象的概念，线程是一种比进程还小的抽象，线程和进程都可用于实现并发。

在早期的操作系统中并没有线程的概念，进程是能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，它相当于一个进程里只有一个线程，进程本身就是线程。所以线程有时被称为轻量级进程

后来，随着计算机的发展，对多个任务之间上下文切换的效率要求越来越高，就抽象出一个更小的概念-线程，一般一个进程会有多个(也可以是一个)线程。

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任务调度

大部分操作系统的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个任务轮流执行。

任务执行的一小段时间叫做时间片，任务正在执行时的状态叫运行状态，任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务，被暂停的任务就处于就绪状态，等待下一个属于它的时间片的到来。

注意：这样每个任务都能得到执行，由于CPU的执行效率非常高，时间片非常短，在各个任务之间快速地切换，给人的感觉就是多个任务在“同时进行”，这也就是我们所说的并发

进程有什么用

进程可以说是一个“执行中的程序”。程序是指令、数据及其组织形式的描述，是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时（操作系统执行之），它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

有了线程技术，我们就可以在一个进程中创建多个线程，让它们在“同一时刻”分别去做不同的工作了。这些线程共享同一块内存，线程之间可以共享对象、资源，如果有冲突或需要协同，还可以随时沟通以解决冲突或保持同步。

不过，多线程技术不是万金油，它有一个致命的缺点：

  • 在一个进程内，不管你创建了多少线程，它们总是被限定在一颗CPU内，或者多核CPU的一个核内。这意味着，多线程在宏观上是并行的，在微观上则是分时切换串行的，
  • 多线程编程无法充分发挥多核计算资源的优势。这也是使用多线程做任务并行处理时，线程数量超过一定数值后，线程越多速度反倒越慢的原因。

多进程技术正好弥补了多线程编程的不足

  • 我们可以在每一颗CPU上，或者多核CPU的每一个核上启动一个进程，如果有必要，还可以在每个进程内再创建适量的线程，最大限度地使用计算资源解决问题。
  • 因为不在同一块内存区域内，和线程相比，进程间的资源共享、通信、同步等，都要麻烦得多，受到的限制也更多。

比喻

进程=火车

线程=车厢

  • 线程在进程下行进（单纯的车厢无法运行）
  • 一个进程可以包含多个线程（一辆火车可以有多个车厢）
  • 不同进程间数据很难共享（一辆火车上的乘客很难换到另外一辆火车，比如站点换乘）
  • 同一进程下不同线程间数据很易共享（A车厢换到B车厢很容易）
  • 进程要比线程消耗更多的计算机资源（采用多列火车相比多个车厢更耗资源）
  • 进程间不会相互影响，一个线程挂掉将导致整个进程挂掉（一列火车不会影响到另外一列火车，但是如果一列火车上中间的一节车厢坏了，将影响到所有车厢）
  • 进程可以拓展到多机，进程最多适合多核（不同火车可以开在多个轨道上，同一火车的车厢不能在行进的不同的轨道上）
  • 进程使用的内存地址可以上锁，即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。（比如火车上的洗手间）－”互斥锁”
  • 进程使用的内存地址可以限定使用量（比如火车上的餐厅，最多只允许多少人进入，如果满了需要在门口等，等有人出来了才能进去）－“信号量”

注意

  • 进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位
  • 一个进程还可以要求操作系统生成另一个进程来执行不同的任务，系统会为新的进程分配独立的内存
  • 两个进程之间可以通过 IPC 机制（Inter Process Communication）来进行通信。
  • 很多应用都会采用这样的设计，如果一个工作进程反应迟钝，重启这个进程不会影响应用其它进程的工作。

二、并发与并行

并发

任务 A 和 任务 B，在一段时间内通过任务之间的切换来完成这两个任务，这个情况是并发。

并行

任务 A 和任务 B，但是 CPU 存在两个核心，可以同时执行这两个任务，这种情况是并行。

举个例子

  • 第一种：唱完歌再去跳舞，这种情况不是并发也不是并行

  • 第二种：唱完一句歌，跳一段舞，然后再唱一句歌，如此循环，这就是并发

  • 第三种：一边唱歌一边跳舞，同时进行，这就是并行

  • 并发的关键是要有处理多个任务的能力，不一定要同时。

  • 并行的关键是要有同时处理多个任务的能力。