【转】以操作系统的角度述说线程与进程
轉自：http://blog.csdn.net/luoweifu/article/details/46595285
什么是線程
什么是線程？線程與進程與有什么關系？這是一個非常抽象的問題，也是一個特別廣的話題，涉及到非常多的知識。我不能確保能把它講的話，也不能確保講的內(nèi)容全部都正確。即使這樣，我也希望盡可能地把他講通俗一點，講的明白一點，因為這是個一直困擾我很久的，撲朔迷離的知識領域，希望通過我的理解揭開它一層一層神秘的面紗。
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任務調(diào)度
線程是什么？要理解這個概念，須要先了解一下操作系統(tǒng)的一些相關概念。大部分操作系統(tǒng)(如Windows、Linux)的任務調(diào)度是采用時間片輪轉的搶占式調(diào)度方式，也就是說一個任務執(zhí)行一小段時間后強制暫停去執(zhí)行下一個任務，每個任務輪流執(zhí)行。任務執(zhí)行的一小段時間叫做時間片，任務正在執(zhí)行時的狀態(tài)叫運行狀態(tài)，任務執(zhí)行一段時間后強制暫停去執(zhí)行下一個任務，被暫停的任務就處于就緒狀態(tài)等待下一個屬于它的時間片的到來。這樣每個任務都能得到執(zhí)行，由于CPU的執(zhí)行效率非常高，時間片非常短，在各個任務之間快速地切換，給人的感覺就是多個任務在“同時進行”，這也就是我們所說的并發(fā)(別覺得并發(fā)有多高深，它的實現(xiàn)很復雜，但它的概念很簡單，就是一句話：多個任務同時執(zhí)行)。多任務運行過程的示意圖如下：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1.操作系統(tǒng)中的任務調(diào)度
進程
我們都知道計算機的核心是CPU，它承擔了所有的計算任務；而操作系統(tǒng)是計算機的管理者，它負責任務的調(diào)度、資源的分配和管理，統(tǒng)領整個計算機硬件；應用程序側是具有某種功能的程序，程序是運行于操作系統(tǒng)之上的。
進程是一個具有一定獨立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集上的一次動態(tài)執(zhí)行的過程，是操作系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位，是應用程序運行的載體。進程是一種抽象的概念，從來沒有統(tǒng)一的標準定義。進程一般由程序、數(shù)據(jù)集合和進程控制塊三部分組成。程序用于描述進程要完成的功能，是控制進程執(zhí)行的指令集；數(shù)據(jù)集合是程序在執(zhí)行時所需要的數(shù)據(jù)和工作區(qū)；程序控制塊(Program?Control?Block，簡稱PCB)，包含進程的描述信息和控制信息，是進程存在的唯一標志。
進程具有的特征：
動態(tài)性：進程是程序的一次執(zhí)行過程，是臨時的，有生命期的，是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的；
并發(fā)性：任何進程都可以同其他進程一起并發(fā)執(zhí)行；
獨立性：進程是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位；
結構性：進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊三部分組成。
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線程
在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進程是能擁有資源和獨立運行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。任務調(diào)度采用的是時間片輪轉的搶占式調(diào)度方式，而進程是任務調(diào)度的最小單位，每個進程有各自獨立的一塊內(nèi)存，使得各個進程之間內(nèi)存地址相互隔離。
后來，隨著計算機的發(fā)展，對CPU的要求越來越高，進程之間的切換開銷較大，已經(jīng)無法滿足越來越復雜的程序的要求了。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。一個進程可以有一個或多個線程，各個線程之間共享程序的內(nèi)存空間(也就是所在進程的內(nèi)存空間)。一個標準的線程由線程ID、當前指令指針(PC)、寄存器和堆棧組成。而進程由內(nèi)存空間(代碼、數(shù)據(jù)、進程空間、打開的文件)和一個或多個線程組成。
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進程與線程的區(qū)別
前面講了進程與線程，但可能你還覺得迷糊，感覺他們很類似。的確，進程與線程有著千絲萬縷的關系，下面就讓我們一起來理一理：
1.線程是程序執(zhí)行的最小單位，而進程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位；
2.一個進程由一個或多個線程組成，線程是一個進程中代碼的不同執(zhí)行路線；
3.進程之間相互獨立，但同一進程下的各個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)及一些進程級的資源(如打開文件和信號)，某進程內(nèi)的線程在其它進程不可見；
4.調(diào)度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。
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線程與進程關系的示意圖：
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2.進程與線程的資源共享關系
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖3.單線程與多線程的關系
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總之，線程和進程都是一種抽象的概念，線程是一種比進程更小的抽象，線程和進程都可用于實現(xiàn)并發(fā)。
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在早期的操作系統(tǒng)中并沒有線程的概念，進程是能擁有資源和獨立運行的最小單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。它相當于一個進程里只有一個線程，進程本身就是線程。所以線程有時被稱為輕量級進程(Lightweight?Process，LWP）。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4.早期的操作系統(tǒng)只有進程，沒有線程
后來，隨著計算機的發(fā)展，對多個任務之間上下文切換的效率要求越來越高，就抽象出一個更小的概念——線程，一般一個進程會有多個(也可是一個)線程。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖5.線程的出現(xiàn)，使得一個進程可以有多個線程
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多線程與多核
上面提到的時間片輪轉的調(diào)度方式說一個任務執(zhí)行一小段時間后強制暫停去執(zhí)行下一個任務，每個任務輪流執(zhí)行。很多操作系統(tǒng)的書都說“同一時間點只有一個任務在執(zhí)行”。那有人可能就要問雙核處理器呢？難道兩個核不是同時運行嗎？
其實“同一時間點只有一個任務在執(zhí)行”這句話是不準確的，至少它是不全面的。那多核處理器的情況下，線程是怎樣執(zhí)行呢？這就需要了解內(nèi)核線程。
多核(心)處理器是指在一個處理器上集成多個運算核心從而提高計算能力，也就是有多個真正并行計算的處理核心，每一個處理核心對應一個內(nèi)核線程。內(nèi)核線程（Kernel?Thread，?KLT）就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程，這種線程由內(nèi)核來完成線程切換，內(nèi)核通過操作調(diào)度器對線程進行調(diào)度，并負責將線程的任務映射到各個處理器上。一般一個處理核心對應一個內(nèi)核線程，比如單核處理器對應一個內(nèi)核線程，雙核處理器對應兩個內(nèi)核線程，四核處理器對應四個內(nèi)核線程。
現(xiàn)在的電腦一般是雙核四線程、四核八線程，是采用超線程技術將一個物理處理核心模擬成兩個邏輯處理核心，對應兩個內(nèi)核線程，所以在操作系統(tǒng)中看到的CPU數(shù)量是實際物理CPU數(shù)量的兩倍，如你的電腦是雙核四線程，打開“任務管理器\性能”可以看到4個CPU的監(jiān)視器，四核八線程可以看到8個CPU的監(jiān)視器。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6.雙核四線程在Windows8下查看的結果
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超線程技術就是利用特殊的硬件指令，把一個物理芯片模擬成兩個邏輯處理核心，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高的CPU的運行效率。這種超線程技術(如雙核四線程)由處理器硬件的決定，同時也需要操作系統(tǒng)的支持才能在計算機中表現(xiàn)出來。
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程序一般不會直接去使用內(nèi)核線程，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級接口——輕量級進程（Light?Weight?Process，LWP），輕量級進程就是我們通常意義上所講的線程(我們在這稱它為用戶線程)，由于每個輕量級進程都由一個內(nèi)核線程支持，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級進程。用戶線程與內(nèi)核線程的對應關系有三種模型：一對一模型、多對一模型、多對多模型，在這以4個內(nèi)核線程、3個用戶線程為例對三種模型進行說明。
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一對一模型
? 對于一對一模型來說，一個用戶線程就唯一地對應一個內(nèi)核線程(反過來不一定成立，一個內(nèi)核線程不一定有對應的用戶線程)。這樣，如果CPU沒有采用超線程技術(如四核四線程的計算機)，一個用戶線程就唯一地映射到一個物理CPU的線程，線程之間的并發(fā)是真正的并發(fā)。一對一模型使用戶線程具有與內(nèi)核線程一樣的優(yōu)點，一個線程因某種原因阻塞時其他線程的執(zhí)行不受影響；此處，一對一模型也可以讓多線程程序在多處理器的系統(tǒng)上有更好的表現(xiàn)。
但一對一模型也有兩個缺點：1.許多操作系統(tǒng)限制了內(nèi)核線程的數(shù)量，因此一對一模型會使用戶線程的數(shù)量受到限制；2.許多操作系統(tǒng)內(nèi)核線程調(diào)度時，上下文切換的開銷較大，導致用戶線程的執(zhí)行效率下降。
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?圖7.一對一模型
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多對一模型
多對一模型將多個用戶線程映射到一個內(nèi)核線程上，線程之間的切換由用戶態(tài)的代碼來進行，因此相對一對一模型，多對一模型的線程切換速度要快許多；此外，多對一模型對用戶線程的數(shù)量幾乎無限制。但多對一模型也有兩個缺點：1.如果其中一個用戶線程阻塞，那么其它所有線程都將無法執(zhí)行，因為此時內(nèi)核線程也隨之阻塞了；2.在多處理器系統(tǒng)上，處理器數(shù)量的增加對多對一模型的線程性能不會有明顯的增加，因為所有的用戶線程都映射到一個處理器上了。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖8.多對一模型
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多對多模型
多對多模型結合了一對一模型和多對一模型的優(yōu)點，將多個用戶線程映射到多個內(nèi)核線程上。多對多模型的優(yōu)點有：1.一個用戶線程的阻塞不會導致所有線程的阻塞，因為此時還有別的內(nèi)核線程被調(diào)度來執(zhí)行；2.多對多模型對用戶線程的數(shù)量沒有限制；3.在多處理器的操作系統(tǒng)中，多對多模型的線程也能得到一定的性能提升，但提升的幅度不如一對一模型的高。
在現(xiàn)在流行的操作系統(tǒng)中，大都采用多對多的模型。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖9.多對多模型
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查看進程與線程
一個應用程序可能是多線程的，也可能是多進程的，如何查看呢？在Windows下我們只須打開任務管理器就能查看一個應用程序的進程和線程數(shù)。按“Ctrl+Alt+Del”或右鍵快捷工具欄打開任務管理器。
查看進程數(shù)和線程數(shù)：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖10.查看線程數(shù)和進程數(shù)
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在“進程”選項卡下，我們可以看到一個應用程序包含的線程數(shù)。如果一個應用程序有多個進程，我們能看到每一個進程，如在上圖中，Google的chrome瀏覽器就有多個進程。同時，如果打開了一個應用程序的多個實例也會有多個進程，如上圖中我打開了兩個cmd窗口，就有兩個cmd進程。如果看不到線程數(shù)這一列，可以在點擊“查看\選擇列”菜單，增加監(jiān)聽的列。
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查看CPU和內(nèi)存的使用率：
在性能選項卡中，我們可以查看CPU和內(nèi)存的使用率，根據(jù)CPU使用記錄的監(jiān)視器的個數(shù)還能看出邏輯處理核心的個數(shù)，如我的雙核四線程的計算機就有四個監(jiān)視器。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖11.查看CPU和內(nèi)存條的使用率
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線程的生命周期
當線程的數(shù)量小于處理器的數(shù)量時，線程的并發(fā)是真正的并發(fā)，不同的線程運行在不同的處理器上。但當線程的數(shù)量大于處理器的數(shù)量時，線程的并發(fā)會受到一些阻礙，此時并不是真正的并發(fā)，因為此時至少有一個處理器會運行多個線程。
在單個處理器運行多個線程時，并發(fā)是一種模擬出來的狀態(tài)。操作系統(tǒng)采用時間片輪轉的方式輪流執(zhí)行每一個線程。現(xiàn)在，幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)采用的都是時間片輪轉的搶占式調(diào)度方式，如我們熟悉的Unix、Linux、Windows及Mac?OS?X等流行的操作系統(tǒng)。
我們知道線程是程序執(zhí)行的最小單位，也是任務執(zhí)行的最小單位。在早期只有進程的操作系統(tǒng)中，進程有五種狀態(tài)，創(chuàng)建、就緒、運行、阻塞(等待)、退出。早期的進程相當于現(xiàn)在的只有單個線程的進程，那么現(xiàn)在的多線程也有五種狀態(tài)，現(xiàn)在的多線程的生命周期與早期進程的生命周期類似。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖12.早期進程的聲明周期
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進程在運行過程有三種狀態(tài)：就緒、運行、阻塞，創(chuàng)建和退出狀態(tài)描述的是進程的創(chuàng)建過程和退出過程。
創(chuàng)建：進程正在創(chuàng)建，還不能運行。操作系統(tǒng)在創(chuàng)建進程時要進行的工作包括分配和建立進程控制塊表項、建立資源表格并分配資源、加載程序并建立地址空間；
就緒：時間片已用完，此線程被強制暫停，等待下一個屬于他的時間片到來；
運行：此線程正在執(zhí)行，正在占用時間片；
阻塞：也叫等待狀態(tài)，等待某一事件(如IO或另一個線程)執(zhí)行完；
退出：進程已結束，所以也稱結束狀態(tài)，釋放操作系統(tǒng)分配的資源。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖13.線程的生命周期
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創(chuàng)建：一個新的線程被創(chuàng)建，等待該線程被調(diào)用執(zhí)行；
就緒：時間片已用完，此線程被強制暫停，等待下一個屬于他的時間片到來；
運行：此線程正在執(zhí)行，正在占用時間片；
阻塞：也叫等待狀態(tài)，等待某一事件(如IO或另一個線程)執(zhí)行完；
退出：一個線程完成任務或者其他終止條件發(fā)生，該線程終止進入退出狀態(tài)，退出狀態(tài)釋放該線程所分配的資源。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的【转】以操作系统的角度述说线程与进程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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