讲清楚两个简单的概念之进程、线程

前言

话不多说，先来张思维脑图~~

• 进程与线程的关系

• 并行与并发

• 进程与线程的上下文切换

进程与线程的关系

什么是进程

我们编写的代码只是一个存储在硬盘的静态文件，通过编译后就会生成二进制可执行文件，当我们运行这个可执行文件后，它会被装载到内存中，接着 CPU 会执行程序中的每一条指令，那么这个运行中的程序，就被称为「进程」（Process）。进程包括程序计数器、寄存器和程序变量的当前值。

进程的特征

1. 进程依赖于程序运行而存在，进程是动态的，程序是静态的。

2. 进程是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

3. 每个进程拥有独立的地址空间，地址空间包括代码区、数据区和堆栈区，进程之间的地址空间是隔离的，互不影响。

什么是线程

进程的创建、销毁与切换存在着较大的时空开销，在 80 年代，线程的概念开始出现，线程被设计成进程的一个执行路径，同一个进程中的线程共享进程的资源，因此系统对线程的调度所需的成本远远小于进程。

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程的优点：

• 一个进程中可以同时存在多个线程；

• 各个线程之间可以并发执行；

• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；

进程与线程的比较

• 进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的基本单位；

• 资源开销：每个进程都有独立的地址空间，进程之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一个进程内的线程共享进程的地址空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器，线程之间切换的开销小。

• 包含关系：一个进程至少有一个线程，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。

对于，线程相比进程能减少开销，体现在：

• 线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；

• 线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；

• 同一个进程内的线程切换比进程切换快。

• 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；

所以，不管是时间效率，还是空间效率线程比进程都要高。

进程与线程的关系图

并行与并发

多个程序、交替执行的思想，就有 CPU 管理多个进程的初步想法。

对于一个支持多进程的系统，CPU 会从一个进程快速切换至另一个进程，其间每个进程各运行几十或几百个毫秒。

虽然单核的 CPU 在某一个瞬间，只能运行一个进程。但在 1 秒钟期间，它可能会运行多个进程，这样就产生并行的错觉，实际上这是并发。

上下文切换

进程的上下文切换

所谓的进程上下文，就是一个进程在执行的时候，CPU 的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容，当内核需要切换到另一个进程时，它 需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。

发生进程上下文切换有哪些场景？

• 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。

• 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行；

• 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；

• 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行；

线程的上下文切换

当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的；

不过，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

线程上下文切换的是什么？

当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

所以，线程的上下文切换相比进程，开销要小很多。