多线程与多进程

1.进程和线程的定义

进程线程的定义：进程可以理解为在操作系统中一个运行起来的程序（程序是指令、数据及其组织形式，进程是程序的实体），是操作系统进行资源分配的最小单位。线程是进程中的一个执行流，是操作系统进行系统调度的最小单位，一个进程由一个或多个线程组成。

2.多进程和多线程

多进程指的是操作系统同时执行多个进程，例如同时运行多个软件，多进程的引入也是为了更好的利用系统的资源，以此来提高系统的并发数量，在单位时间内处理更多的任务。而多线程的引入主要是为了降低系统的资源开销。
两者的区别：

• 每个进程都拥有独立的系统分配的资源，一个进程的崩溃通常对其他进程不会产生影响，具有较好的隔离性。因此在多进程通信中进程间的同步较为困难，常见的进程间同步的方式有（共享内存、管道、消息队列、套接字等）
• 线程共享进程的地址空间，只有自己的堆栈和局部变量，通常线程的崩溃会导致整个进程的崩溃。多线程共享容易，但是同步困难。

3.进程线程间的通信：

1. 对于进程间的通信方式：

• 管道：数据只能单向流动，且需要有血缘关系。
• 命名管道：也只能单向流动，但是可以在没有血缘关系的进程间通信
• 消息队列：
• 共享存储区：映射一段能被其他进程所访问的内存，但是要注意数据的一致性问题。
• 信号量：通常作为一种锁机制来防止进程对共享资源的访问。
• 套接字: 既可以用于本机进程间的通信，也可用于不同主机间进程之间的通信。
• 信号：通知某一事件发生。

2. 线程间的通信：主要用于在同一进程中的不同线程之间传递数据和协调工作。

• 线程互斥：互斥锁、读写锁、自旋锁、乐观锁、悲观锁。
  1. 互斥锁：对于临界区代码的访问需要进行加锁和解锁，使用lock和unlock，lock_guard（对象出了作用域会自动调用析构函数）等相关操作。互斥锁加锁失败后会释放占用的CPU资源，从用户态陷入内核态，由内核来进行线程的切换。线程的状态会经过由运行态-->阻塞态-->就绪态的一个转换。这样虽然让出了CPU的时间避免了CPU的长时间等待，但是内核态到用户态的消耗也是不可忽略的。
  2. 读写锁：分为读锁和写锁，写锁是互斥的，当写锁没有被线程持有时，多个线程都可以同时持有读锁，当读写被持有，则其余的读锁和写锁都将被阻塞。读锁是共享的，当一个线程持有读锁后，其他持有读锁的线程不会被阻塞。
  3. 自旋锁：与互斥锁不同的是，自旋锁加锁失败后不会放弃CPU的资源，它会一直循环等待，知道拿到锁，这样可以减少内核切换带来的开销。自旋锁通过操作系统提供的CAS函数完成加锁解锁的操作。
  4. 悲观锁：悲观锁认为多线程对同一资源的同时访问率较高，所以当进行资源访问时会先加锁。例如上面的互斥锁、读写锁、自旋锁。
  5. 乐观锁：乐观锁则认为冲突的概率是很低的，先进行访问操作，通过版本号来查看是否发生了冲突。
• 线程通信：条件变量、信号量。
  1. 条件变量：唤醒-等待的模式，条件变量通常用来阻塞一个线程，当满足某些条件时才会被唤醒，通常是与互斥锁一起使用。常见的操作就是wait()和notify()。
  2. 信号量：一种具有原子性的特殊变量，是一个引用计数，用来限制共享资源的并发连接数量，当值大于0时，资源计数减一，程序执行，信号量的值为0时，程序陷入等待。主要用来控制对公共资源的访问。

4.多线程的选择

• 对于IO密集型任务：这种任务下，CPU大部分时间都是在等在系统的读写操作（从磁盘、内存读取写入数据等），CPU一直处理闲置状，这时候可以用多线程来大大的提高系统处理的效率，当进行系统IO的时候，CPU切换到其他线程处理，当IO完成后，CPU再切换回来处理剩下的数据处理的任务。可以大大加速程序的运行，避免了CPU长时间的闲等。一般来说线程数与CPU核心数的关系为（线程数=CPU核心数/（1-阻塞系数）），这里的阻塞系数通常是一个泛化的值，一般在0.8~0.9之间。
• 对于CPU密集型任务：也指计算密集型任务，这种任务几乎占满了整个cpu的运行事件，对于单核的情况，没必要使用多线程，因为多线程的切换会带来额外的时间和资源消耗。对于多核心的，线程数=核心数为最佳，这样每个线程都有一个CPU核心来运行，同时也没有线程切换的开销，最大程度上使用了CPU。