OS 八股文——进程与线程

一、何为进程和线程

进程

• 进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的基本单位。
• 是操作系统结构的基础。
• 进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

线程

• 线程是操作系统最小的运算调度单位。
• 线程包含在进程中，是进程中实际执行任务的单位。
• 在一些操作系统中，线程也被称为轻量级进程

二、两者的区别

单位区别

• 线程是进程的一部分，是进程内的实际执行单位，而进程则是操作系统分配资源的基本单位。

资源区别

• 每个进程都有独立的地址空间和系统资源，而线程共享同一进程的地址空间和系统资源。

切换区别

• 线程之间的切换比进程之间的切换更快，因为线程共享相同的上下文和资源。

通信区别

• 线程间通信更加方便，可以直接读写共享内存，而进程间通信需要通过特定的机制（如管道、消息队列等）。

开销区别

• 进程的创建和销毁比线程的开销更大。

独立区别

• 进程是相对独立的，一个进程的崩溃不会影响其他进程，而线程是相互依赖的，一个线程的崩溃会导致整个进程的崩溃。

三、内存分配过程

进程分配内存过程

进程作为资源分配的基本单位，其内存分配通过虚拟内存管理实现。

1. 虚拟地址空间创建

进程创建时，操作系统分配独立的虚拟地址空间（通常32位系统为4GB，64位更大），包含代码段、数据段、堆和栈等逻辑分区。
虚拟地址通过内存管理单元（MMU） 转换为物理地址，实现进程间的内存隔离与保护。
 

2. 物理内存分配与映射

分页机制：将虚拟地址按固定大小（如4KB）划分为页，物理内存划分为页框。操作系统维护页表记录虚拟页到物理页框的映射关系。

按需分配：当进程首次访问某虚拟页时触发缺页中断，内核从物理内存或磁盘（Swap空间）加载数据到空闲页框，并更新页表。

3. 动态内存扩展

堆内存管理：进程通过系统调用（如malloc）请求动态内存时，内核根据算法（如伙伴系统）从堆区分配连续或非连续内存块。

4. 内存回收与碎片处理

进程终止时，其占用的所有物理页框被标记为空闲；运行期间释放内存时，通过空闲链表或位图管理回收的内存块。

外部碎片通过内存紧缩或分页机制缓解，内部碎片由固定分页大小导致，需算法优化。

线程的内存分配过程

线程作为执行调度的基本单位，共享进程的虚拟地址空间，但拥有私有栈和线程本地存储。

1. 栈内存分配

私有栈：每个线程启动时分配独立的栈空间（默认1~10MB），存储局部变量、函数调用链及返回值。栈帧随方法调用动态压入/弹出，无需显式管理。

2. 堆内存共享与优化

共享堆：线程通过进程的堆区分配对象，需同步机制（如锁）避免竞态条件。

线程本地分配缓冲区（TLAB）：在堆的Eden区为每个线程预分配小块内存（默认占Eden 1%），避免频繁全局锁竞争，提升分配效率。若TLAB不足，则退化为全局堆分配。

四、使用场景

进程

高隔离性、稳定性

1、需要独立的地址空间和系统资源：如果任务需要运行在独立的环境中，不同任务之间的数据隔离较为重要，那么可以选择使用进程。

2、需要更高的安全性和稳定性：如果一个任务的崩溃不应该影响其他任务的正常运行，使用进程可以保证更高的安全性和稳定性。

典型场景：

1、直播平台的多服务隔离

直播平台需同时运行视频推流服务、弹幕处理服务等。每个服务作为独立进程运行，避免一个服务崩溃导致整体瘫痪。

例如：

视频推流进程使用 FFmpeg 编码并通过 RTMP 协议传输；

弹幕进程通过 WebSocket 独立处理消息队列；

进程间通信（IPC）可通过共享内存或消息队列传递控制信号。

2、跨硬件单元的视频编解码

由于一个开发板有不同的硬件单元，比如 ARM、NPU、FPGA、DSP什么的。但是每个硬件单元都是需要分配独立进程的。

例如：

ARM 负责视频采集，DSP 负责 H.264 编解码；

ARM 与 DSP 分属不同进程，通过 Codec Engine 机制交互，确保硬件资源独占性。

隔离 CPU 与 DSP 的运算负载，避免内存竞争导致的帧丢失。

线程

资源共享、高并发、低延迟

1、共享数据和资源：如果任务之间需要共享数据和资源，并且数据同步和通信较为频繁，使用线程可以更方便地访问和操作共享资源。

2、轻量级任务：如果任务比较轻量级，且并行执行可以提高效率，使用线程可以进行更快速的切换和调度，减少开销。

3、实时性要求：如果任务对实时性要求较高，使用线程可以更快响应事件和处理任务。

典型场景

1、视频传输中的多任务并行

局域网视频传输系统需同时处理 Socket 数据接收、解码、显示。

例如：

接收线程：持续监听 Socket 端口，将数据存入缓冲区；

解码线程：从缓冲区取数据，调用 H.264 解码器生成 YUV 帧；

显示线程：将 YUV 转换为 RGB 并渲染到屏幕。

2、直播流的实时处理

直播中需同时处理视频采集、美颜滤镜、网络推流。

例如：

采集线程：基于 V4L2 驱动（海思MPP，Sensor——VO——VPSS）从摄像头获取原始帧；

处理线程：应用 OpenCV 进行人脸识别或滤镜渲染；

推流线程：通过 RTMP 协议发送至 CDN

两者混用

兼顾隔离性与效率

典型场景：

智能监控系统的行为分析

进程级：视频采集、存储服务作为独立进程，保障 24/7 稳定性；

线程级：在采集进程内启动多个线程，分别处理人脸检测、运动跟踪、告警生成。