計(jì)算機(jī)-進(jìn)程與線程

計(jì)算機(jī)的核心是CPU，它承擔(dān)了所有的計(jì)算任務(wù)，而操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的管理者，它負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度，資源的分配和管理，統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件；應(yīng)用程序是具有某種功能的程序，程序是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的。

進(jìn)程

進(jìn)程是一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集上的一次動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位，是應(yīng)用程序運(yùn)行的載體。進(jìn)程是一種抽象的概念，從來沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。進(jìn)程一般由程序，數(shù)據(jù)集合和進(jìn)程控制塊三部分組成。程序用于描述進(jìn)程要完成的功能，是控制進(jìn)程執(zhí)行的指令集；數(shù)據(jù)集合是程序在執(zhí)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)和工作區(qū)；程序控制塊包含進(jìn)程的描述信息和控制信息是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志進(jìn)程具有的特征：

• 動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是臨時(shí)的，有生命期的，是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，動(dòng)態(tài)消亡的；

• 并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以同其他進(jìn)行一起并發(fā)執(zhí)行；

• 獨(dú)立性：進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位；

• 結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程由程序，數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三部分組成

線程

在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進(jìn)程是擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。任務(wù)調(diào)度采用的是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的搶占式調(diào)度方式，而進(jìn)程是任務(wù)調(diào)度的最小單位，每個(gè)進(jìn)程有各自獨(dú)立的一塊內(nèi)存，使得各個(gè)進(jìn)程之間內(nèi)存地址相互隔離。后來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對CPU的要求越來越高，進(jìn)程之間的切換開銷較大，已經(jīng)無法滿足越來越復(fù)雜的程序的要求了。于是就發(fā)明了線程，線程是程序執(zhí)行中一個(gè)單一的順序控制流程，是程序執(zhí)行流的最小單元，是處理器調(diào)度和分派的基本單位。一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或

多個(gè)線程，各個(gè)線程之間共享程序的內(nèi)存空間(也就是所在進(jìn)程的內(nèi)存空間)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線程由線程ID，當(dāng)前指令指針PC，寄存器和堆棧組成。而進(jìn)程由內(nèi)存空間(代碼，數(shù)據(jù)，進(jìn)程空間，打開的文件)和一個(gè)或多個(gè)線程組成。

進(jìn)程與線程的區(qū)別

• 線程是程序執(zhí)行的最小單位，而進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位；

• 一個(gè)進(jìn)程由一個(gè)或多個(gè)線程組成，線程是一個(gè)進(jìn)程中代碼的不同執(zhí)行路線

• 進(jìn)程之間相互獨(dú)立，但同一進(jìn)程下的各個(gè)線程之間共享程序的內(nèi)存空間(包括代碼段，數(shù)據(jù)集，堆等)及一些進(jìn)程級的資源(如打開文件和信號等)，某進(jìn)程內(nèi)的線程在其他進(jìn)程不可見；

• 調(diào)度和切換：線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換要快得多

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漫畫解析

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1.

計(jì)算機(jī)的核心是CPU，它承擔(dān)了所有的計(jì)算任務(wù)。它就像一座工廠，時(shí)刻在運(yùn)行。

2.

假定工廠的電力有限，一次只能供給一個(gè)車間使用。也就是說，一個(gè)車間開工的時(shí)候，其他車間都必須停工。背后的含義就是，單個(gè)CPU一次只能運(yùn)行一個(gè)任務(wù)。

3.

進(jìn)程就好比工廠的車間，它代表CPU所能處理的單個(gè)任務(wù)。任一時(shí)刻，CPU總是運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，其他進(jìn)程處于非運(yùn)行狀態(tài)。

4.

一個(gè)車間里，可以有很多工人。他們協(xié)同完成一個(gè)任務(wù)。

5.

線程就好比車間里的工人。一個(gè)進(jìn)程可以包括多個(gè)線程。

6.

車間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個(gè)工人都可以進(jìn)出的。這象征一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間是共享的，每個(gè)線程都可以使用這些共享內(nèi)存。

7.

可是，每間房間的大小不同，有些房間最多只能容納一個(gè)人，比如廁所。里面有人的時(shí)候，其他人就不能進(jìn)去了。這代表一個(gè)線程使用某些共享內(nèi)存時(shí)，其他線程必須等它結(jié)束，才能使用這一塊內(nèi)存。

8.

一個(gè)防止他人進(jìn)入的簡單方法，就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門，后到的人看到上鎖，就在門口排隊(duì)，等鎖打開再進(jìn)去。這就叫"互斥鎖"（Mutual exclusion，縮寫 Mutex），防止多個(gè)線程同時(shí)讀寫某一塊內(nèi)存區(qū)域。

9.

還有些房間，可以同時(shí)容納n個(gè)人，比如廚房。也就是說，如果人數(shù)大于n，多出來的人只能在外面等著。這好比某些內(nèi)存區(qū)域，只能供給固定數(shù)目的線程使用。

10.

這時(shí)的解決方法，就是在門口掛n把鑰匙。進(jìn)去的人就取一把鑰匙，出來時(shí)再把鑰匙掛回原處。后到的人發(fā)現(xiàn)鑰匙架空了，就知道必須在門口排隊(duì)等著了。這種做法叫做"信號量"（Semaphore），用來保證多個(gè)線程不會(huì)互相沖突。

不難看出，mutex是semaphore的一種特殊情況（n=1時(shí)）。也就是說，完全可以用后者替代前者。但是，因?yàn)閙utex較為簡單，且效率高，所以在必須保證資源獨(dú)占的情況下，還是采用這種設(shè)計(jì)。

11.

操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此可以歸結(jié)為三點(diǎn)：

（1）以多進(jìn)程形式，允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行；

（2）以多線程形式，允許單個(gè)任務(wù)分成不同的部分運(yùn)行；

（3）提供協(xié)調(diào)機(jī)制，一方面防止進(jìn)程之間和線程之間產(chǎn)生沖突，另一方面允許進(jìn)程之間和線程之間共享資源。

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總結(jié)

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