什么是进程?什么是线程?

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。

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