进程与线程的理解

一、什么是进程和线程？

　　专业解释：进程和线程都是一个时间段的描述，是CPU工作时间段的描述。进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位

　　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。

　　而我们可以在一个进程中创建多个线程，让它们在“同一时刻”（只是在CPU休息的时候让它继续马不停蹄的执行下一个程序）分别去做不同的工作了，极大的利用了CPU资源。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，而进程间不可以共享它们内部的资源，但可以共享内存，即进程共享操作系统空间资源。

二、出现的背景：

　　CPU非常快，寄存器和RAM等的速度远不及CPU。当要执行多个任务时，CPU的处理方式仍然是依次解决。因为速度差异，CPU实际的执行时间和等待执行的时间是数量级的差异。比如工作1秒钟，休息一个月。所以多个任务，轮流着来，让CPU不那么无聊，给流逝的时间增加再多一点点的意义。这些任务，在外在表现上就仿佛是同时在执行（以为CPU的执行速度实在太快了）。

　　执行一段程序代码之前 ，相关的资源必须已经就位，只等CPU执行。所有这些任务都处于就绪队列，然后由操作系统的调度算法，选出某个任务，让CPU来执行。执行的过程就是PC指针指向该任务的代码开始，由CPU开始取指令，然后执行。

　　因此，CPU执行的顺序是：

　　1、加载进程A的上下文，

　　2、开始执行进程A，

　　3、保存进程A的上下文，

　　4、调入下一个要执行的进程B的进程上下文，

　　5、开始执行进程B，

　　6、保存进程B的上下文。

　　这里的上下文是进程执行的环境，为什么要保存上下文呢？因为当这个程序执行完了，或者分配给他的CPU时间片用完了，那它就要被切换出去，等待下一次CPU的临幸。如果不保存上下文，那么下次他被CPU临幸的运行环境就找不到了。

　　而通常一个进程运行的时间较长，每次执行都要切换上下文会造成效率低下，我们可以将进程分成多个代码组合块a,b,c，定义为线程a,b,c，线程的执行是共享了进程的上下文（资源共享），CPU在执行的时候仅仅切换线程的上下文，而不必进行进程上下文切换的。

　　由此，CPU执行过程就可以更新为：

　　1、程序A得到CPU

　　2、CPU加载进程A的上下文，

　　3、执行进程A的a小段，

　　4、执行进程A的b小段，

　　5、执行进程A的c小段，

　　6、CPU保存进程A的上下文，

　　7、调入下一个要执行的进程B的进程上下文，进行类似进程A的流程

三、一些专业术语

　　1、线程的实现：创建线程——启动线程，如果不写启动命令，则不知道需要开始执行线程。

　　2、解决线程冲突问题（几个线程都需要使用该资源）：线程同步，即一个线程使用中，其他线程等待。

　　3、几个进程的运行机制类似，将某一个定为主进程，其他成为子进程，这几个进程协同作用实现更大的功能，称为进程间同步。而在每个进程中都可以有一个或多个线程，一个线程的成为单线程，只能按顺序执行；多个线程的称为多线程，可以‘同时’执行程序。

 

四、形象比喻

　　可以将进程和线程的关系比作火车与车厢、公司与工人的关系。

• 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着火了，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”

　　

　　电脑上每启动一个软件就是启动一个进程，而一个软件上有很多功能，执行一个功能就是执行一个线程。

 

 

五、进程间通信的方式

　　进程间通信是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。因为即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的运行，进程之间必须互相通话。

　　1、管道

　　（1）无名管道（普通管道）：数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间（父子进程）使用。

　　（2）有名管道（命名管道）：数据只能单向流动，但它允许无亲缘关系进程间的通信。

　　（3）高级管道（流管道）：可以双向流动，将另一个程序当做一个新的进程在当前程序进程中启动。

　　2、消息队列

　　 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

　　3、信号量

　　共享内存最大的问题是什么？就是多进程竞争内存的问题，就像类似于我们平时说的线程安全问题。信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享内存的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享内存时，其他进程也访问该内存。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

　　例如信号量的初始值是 1，然后 a 进程来访问内存1的时候，我们就把信号量的值设为 0，然后进程b 也要来访问内存1的时候，看到信号量的值为 0 就知道已经有进程在访问内存1了，这个时候进程 b 就会访问不了内存1。

　　4、信号

　　信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

　　5、共享内存

　　共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号配合使用，来实现进程间的同步和通信。

　　6、套接字( socket ) 

　　 套解字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

 

该文仅作为自己对进程和线程的总结理解，摘录自以下文章：
作者：知乎用户
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作者：zhonyong
链接：https://www.zhihu.com/question/25532384/answer/81152571
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作者：人民邮电出版社
链接：https://www.zhihu.com/question/25532384/answer/1598653960
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作者：happyjava
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作者：E=mc²_
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